Метеорологические эффекты в ионосфере Северного полушария тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ-АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ ИОНОСФЕРЫ

^р-1 На правах рукописи

<*> #

\

Хачикян Галина Яковлевна

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ИОНОСФЕРЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ

01.03.03 - Гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Алматы - 1998

Работа выполнена в Институте Ионосферы Министерства Науки-Академии Наук Республики Казахстан.

Научный консультант: член-корреспондент АН РК доктор физико-математических наук профессор Дробжев В.И,

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гинзбург Э.И. доктор физико-математических наук, профессор Каримов К.А. доктор физико-математических наук, профессор Коломеец Е.В.

Ведущая организация: Сибирский Физико-Технический Институт при Томском Государственном Университете

Защита диссертации состоится 20 мая в Ц.ЗО на заседании регионального диссертационного совета Д 53.03.01 при ИИ МН-АН РК по адресу: Казахстан, 480068, г. Алматы, Институт ионосферы.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИИ МН-АН РК. Автореферат разослан "___" апреля 1998г.

Ученый секретарь регионального диссертационного совета Д 53.03.01

кандидат физ.-мат. наук

Б.А.Туркеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа направлена на решение проблемы взаимодействия атмосферных процессов на различных высотных уровнях на основе исследования эффектов крупномасштабных метеорологических возмущений в вариациях ионосферных параметров.

Исследования проведены на базе ионосферных данных наземной сети станций, полученных из МЦД-Б2 и ежедневных карт геопотенциала изобарической поверхности ЗОгПа, полученных из ВНИИГМИ-МЦД.

Актуальность проблемы

В последние годы при изучении солнечно-земной физики все больше делается упор на выработку единой концепции, в которой вся цепочка явлений в системе Солнце - Земля становилась бы чем-то большим, чем простая сумма отдельных составляющих [1]. В этой связи большое внимание уделяется взаимодействию между различными сферами планеты и, в том числе, между различными слоями земной атмосферы.

Верхние слои атмосферы находятся под двойным энергетическим воздействием: "сверху" (влияние ионизирующего излучения) и "снизу" (приток энергии возмущений из более плотных атмосферных слоев). Возмущения нижних слоев характеризуются очень широким спектром, от акустико -гравитационных до планетарных волн. Основная часть атмосферной энергии сосредоточена в планетарных волнах, проникающих из тропосферы в вышележащие слои при определенных условиях [2,3], которые могут улучшаться с ростом солнечной активности [4].

Планетарные волны являются неотъемлемой характеристикой страто-мезосферы, а долготные вариации, напоминающие по внешнему виду планетарные волны, присутствуют во всех параметрах термосферы.

Проводить полную аналогию между планетарными волнами нижней атмосферы и долготными вариациями термосферы нельзя, так как на тер-мосферных высотах существуют собственные источники долготных вари-

аций, первопричинами которых являются несовпадение географического и геомагнитного полюсов и долготная неоднородность характеристик геомагнитного поля. Вместе с тем, нельзя не учитывать и результаты теоретических расчетов, указывающие на возможность влияния планетарных волн нижней атмосферы на вариации термосферных параметров [3].

Исследовать детально связь между характеристиками стратосферы и нейтральной атмосферы на термосферных высотах пока сложно, так как экспериментальные данные о термосферных параметрах существенно разрознены по высоте, пространственным координатам, сезонам и т.д. В то же время известно [5], что вариации термосферных характеристик находят отражение в вариациях ионосферных характеристик, а многолетний архив ионосферных данных, измеренных на наземной сети станций (особенно на средних широтах северного полушария, где сеть станций наиболее густая) позволяет обеспечить достаточную для анализа статистику.

Исследования метеорологических эффектов в ионосфере, начатые профессором В.Н.Кессенихом еще в 40-ые годы, актуальны и по той причине, что практическое использование ионосферы в задачах радиолокации, навигации космических аппаратов, распространения радиоволн, требуют развития и усовершенствования ионосферных моделей с учетом зависимости ее параметров от энергии всех реально существующих источников.

Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного научного направления Республики Казахстан: "Физика космических тел и их систем: взаимодействие и эволюция" и в соответствии с международными научно-исследовательскими программами: Middle Atmosphere Programm (1979 -1985гг.), Middle Atmosphere Cooperation (1986 - 1990гг.), Solar - Terrestrial Energy Programm (1990 - 1995гг.).

Целью работы являлось выявление эффектов крупномасштабных метеорологических возмущений в вариациях ионосферных параметров на основ* разработки новых подходов к анализу многолетнего архива данных, измс-

ренных на среднеширотной сети ионосферных станций северного полушария.

В соответствии с целью работы было выполнено следующее:

1. Предложена методика исключения из вариаций ионосферных параметров той части, которая обусловлена вариациями интенсивности ионизирующего излучения (воздействие "сверху"), с тем, чтобы стали более наглядными эффекты, связанные с воздействием "снизу".

2. Исследована реакция Б-области и Г2- слоя ионосферы на крупномасштабные возмущения стратосферы в зимний сезон.

3. Предложен и реализован метод выделения и анализа крупномасштабных долготных вариаций ионосферных параметров на количественной основ«

4. Разработан новый способ определения среднезональных значений меридиональной и зональной компонент термосферного ветра на средних широтах северного полушария по характеристикам гармоники т—2 в долготных вариациях высоты максимума Г2-слоя.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Впервые выявлен на количественной основе отклик характеристик Б-области и Р2-слоя ионосферы на крупномасштабные возмущения стратосферы в зимний сезон.

2. Впервые получены количественные характеристики долготных вариаций параметров максимума слоя Р2 на основе расчета амплитуд и фаз гармоник с зональными волновыми числами гп—1 и т—2, изучена их морфология на средних широтах северного полушария и выявлен относительный вклад физических механизмов, ответственных за их возникновение.

3. Разработан новый способ определения среднезональных значений меридиональной и зональной компонент термосферного ветра на средних широтах северного полушария по ионосферным данным.

Научная и практическая ценность работы определяются тем, что

- реализованы новые алгоритмы анализа ионосферных данных, позволившие получить качественно новую информацию из архива ионосферных данных, накопленных на сети ионосферных станций;

- разработан метод расчета скорости нейтрального ветра в термосфере по характеристикам гармоники т—2 в долготных вариациях высоты максимума слоя Р2, позволяющий использовать действующую сеть ионосферных станций по новому, в том числе, назначению: для регулярного мониторинга среднезональных значений меридиональной и зональной компонент нейтрального ветра на высотах Г2-слоя;

- получены новые экспериментальные результаты, расширяющие знания о взаимодействии атмосферных процессов на различных высотных уровнях.

На защиту выносятся:

1. Эффекты крупномасштабных метеорологических возмущений в вариациях характеристик Б-области и Г2-слоя ионосферы.

2. Количественные характеристики крупномасштабных долготных вариаций критических частот и высот максимума слоя Р2 на средних широтах северного полушария: морфология и физические механизмы.

3. Способ определения среднезональных значений меридиональной и зональной компонент термосферного ветра на средних широтах северного полушария по характеристикам долготных вариаций высоты максимума слоя Р2.

Личный вклад автора: Автор ставил задачу, обосновывал методику, принимал участие в ее реализации, получении и интерпретации результатов, делал выводы.

Апробация работы

Результаты работы были представлены более чем на 20 научных конференциях, в том числе:

на международных (в рамках КАПГ) симпозиумах по изучению метеорологических эффектов в ионосфере: Ростов-на-Дону, 1977; София, 1982; София, 1985; София, 1988;

на симпозиумах по результатам исследования средней атмосферы: Алма-Ата, 1983; Москва, 1986, 1989;

на международных школах по физике ионосферы: Сочи, 1976,1979, 1983; на совещаниях по исследованию полярной ионосферы и магнитосферы: Мурманск, 1978, 1984;

на совещаниях по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере: Обнинск, 1976, 1979, 1982, 1985, 1988;

на международной конференции по физике солнечно-земных связей, Ал-маты, 1994;

на 8-ом международном симпозиуме по солнечно-земной физике, Sendai, Japan,1994;

на XXV Генеральной Ассамблее URSI, Lille, France, 1996; на международном симпозиуме IAGA, Uppsala, Shweden, 1997. Диссертация в целом обсуждалась:

- на международном симпозиуме по мониторингу окружающей среды и проблемам солнечно-земной физики, Томск, июнь, 1996;

- на научно-реферативном семинаре лаборатории волновых процессов в ионосфере ИИ МН-АН PK в июле 1997г;

- на совместном семинаре ионосферного отдела и лаборатории ионосферной динамики Института Земного Магнетизма, Ионосферы и Распространения Радиоволн РАН (ИЗМИРАН, г.Троицк) в январе 1998г.

Публикации По теме диссертации опубликовано более 50 научных статей и одна монография (в соавторстве).

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность проблемы исследования взаимодействия атмосферных процессов на различных высотных уровнях, обосновывается постановка задачи, методика анализа данных, рассматриваются научная новизна и практическая значимость результатов. Дано краткое изложение содержания диссертации.

Первая глава посвящена анализу известных результатов по моделированию вертикального распространения в атмосфере крупномасштабных метеорологических возмущений (стационарных планетарных волн) с целью выяснения возможности экспериментального исследования их эффектов в вариациях ионосферных параметров. Из анализа следует:

— стационарные планетарные волны возникают в тропосфере, в основном, из-за разной способности материков и океанов аккумулировать солнечную энергию [2];

— из тропосферы могут проникать вверх лишь те волны, которые имеют наименьшие зональные волновые числа т—1,2,3; [2]

— условия вертикального распространения стационарных планетарных волн находятся в зависимости от фоновых характеристик атмосферы в промежуточных атмосферных слоях [2,3] и могут улучшаться с ростом солнечной активности [4];

—стационарные планетарные волны могут проникать из стратосферы зимнего полушария в мезосферу и тсрмосферу летнего через экваториальный волновод, образуемый фоновыми зональными ветрами [3]; —планетарные волны могут диссипировать, внося вклад в изменение сред-незональных значений атмосферных характеристик, и модулировать условия распространения вверх волн меньших пространственно - временных

масштабов [6];

— долготные вариации вертикальной скорости ветра в нижней термосфере, обусловленные распространяющейся снизу стационарной планетарной волной с зональным волновым числом т=1, могут достигать величины 0.5-1 см/с, что может быть достаточным для формирования ощутимых долготных вариаций нейтрального состава термосферы [3].

На основании проведенного анализа сделан вывод о возможности существования связи между крупномасштабными вариациями параметров нижней атмосферы и ионосферы вплоть до слоя Г2.

Вторая глава включает результаты по ваыявлению связи между текущими вариациями параметров ионосферы и страто-мезосферы.

Вычленены трудности решения данного вопроса. Наиболее очевидная из них связана с тем, что вариации ионосферных параметров возникают, в первую очередь, из-за вариаций ионизирующего излучения (воздействие на ионосферу "сверху"). Это влияние маскирует эффекты, связанные с воздействием "снизу". Для преодоления этой трудности была предложена следующая методика: выбирались два пункта, расположенные примерно на одной широте, но на разных долготах; для каждого дня подсчитывалась разность между значениями метеорологического параметра, измеренного в этих пунктах и разность между значениями ионосферного параметра, измеренного в тех же пунктах при одном местном времени, и затем проводился их совместный анализ. При таком подходе самоисключаются вариации, связанные с воздействием на ионосферу " сверху", так как это воздействие практически одинаково вдоль конкретной широты, и более четко проявляются эффекты, связанные с региональными особенностями нейтральной атмосферы. Предложенная методика была апробирована на данных комплексного эксперимента по изучению зимней аномалии поглощения радиоволн над Европой в 1975-1976гг. и позволила выявить положительную корреляцию между разностью мезосферной температуры над двумя трас-

сами и разностью поглощения коротких радиоволн над теми лее трассами, что не было очевидным при сопоставлении непосредственно температуры и поглощения над конкретной трассой. Полученные экспериментальные результаты находятся в согласии с существующей схемой метеорологического контроля Б-области ионосферы [7].

Для выявлении стратосферно-ионосферных связей методика использовалась следующим образом:

а) рассчитывались ежедневные значения разности высоты изобарической поверхности 30 ГПа (ДЬзо) между разными парами станций;

б) определялись дни, в которые наблюдались экстремальные значения ЛЬ]о (положительные и отрицательные), превышающие по абсолютной величине значение а и эти дни выбирались за реперные (положительные и отрицательные, соответственно);

в) по данным тех же пар станций рассчитывались ежедневные значения разности между полуденными /,„,„, которые характеризуют величину поглощения в Б-области ионосферы, и полуденными значениями критических частот слоя Р2 и методом наложения эпох за 40 дней до и 80 дней после реперной даты определялась для каждой пары станций реакция А /,„,•„ и Д/о_Р2 на экстремальные значения ДЬзо (положительные и отрицательные отдельно); г) вариации полученных параметров анализировались также спектральным анализом с расчетом автоспектров и спектров взаимной когерентности по методу Блекмана-Тьюкки.

Результаты показали, что процесс деформации циркумполярного вихря в зимней стратосфере сопровождается колебаниями параметров стратосферы, Б-области и Р2-слоя ионосферы с квазипериодами равными, в среднем, та 20 суткам. Временной сдвиг, при котором выявляется когерентность между колебаниями (с коэффициентом когерентности 0.6-0.8), составляет та 20 дней для параметров ДЬзо и Д/„,;„ и та 60 дней для ДЬ30 и Д/0Р"2.

Обнаруженные периоды находятся в согласии с результатами других авторов [8], а время сдвига не противоречит известным результатам модель-

ных расчетов. Так, в [4] получено, что требуется примерно 60 суток, чтобы планетарные волны, распространяющиеся из верхней тропосферы, сформировали наблюдаемую в зимний сезон пространственно-неоднородную структуру термобарического поля средней атмосферы.

Глава 3 посвящена выделению и анализу на количественной основе крупномасштабных долготных вариаций параметров слоя Г2 на средних широтах северного полушария.

При выявлении метеорологических эффектов в вариациях параметров слоя Р2 к уже отмеченной трудности добавляется еще одна, связанная с тем, что на высотах Р2-слоя существуют собственные долготные вариации, напоминающих по внешнему виду планетарные волны нижней атмосферы. Они возникают из-за долготной неоднородности геомагнитного поля, порождающей долготные вариации вертикального дрейфа плазмы, обусловленного нейтральным термосферным ветром [9], и из-за долготных вариаций характеристик термосферы [10], первопричиной которых является несовпадение географического и геомагнитного полюсов [11]. Чтобы идентифицировать вклад каждого из источников и выявить - находится ли среди них место метеорологическому источнику, нужно было прежде получить количественные характеристики наблюдаемых долготных вариаций. С этой целью обоснована и реализована методика расчета количественных характеристик крупномасштабных долготных вариаций ионосферных параметров. В качестве таких характеристик предложено использовать (по аналогии с нижней атмосферой) амплитуды и фазы гармоник с зональными волновыми числами т = 1ит = 2в долготном ходе ионосферного параметра в фиксированный момент местного времени.

Для расчета амплитуд и фаз были использованы данные 30-43 ионосферных станций, расположенных в области широт 38 — 65"Д\ Методом наименьших квадратов решалось аппроксимационное уравнение:

+«з sin А + «4 cos 2Л 4-as sin 2Л (1)

где - - значение критической частоты в фиксированный момент

местного времени на станции с географическими координатами (р,\; <р-средняя широта анализируемых станций, ао- среднезональное значение foF'2 для средней широты, ар коэффициент линейной зависимости f$F2 от широты, q2,3 и с*4,5 - коэфффициенты для расчета амплитуд и фаз зональных гармоник с волновыми числами 1 и 2 соответственно. Фаза в данном случае указывает долготу, на которой наблюдается гребень гармоники (волны). Коэффициенты (1) и затем амплитуды и фазы rn= 1 и т—2 гармоник рассчитывались как по ежечасным медианным значениям критических частот для низкого, среднего и высокого уровней солнечной активности, так и по ежедневным полуденным /o-F2, измеренным на среднеширотной сети ионосферных станций в 1958, 1964-1970, 1976-1978 и 1980-1981гг.

Результаты показали, что аппроксимационное выражение (1) способно выбирать до 95% дисперсии временного ряда /qF2, а его коэффициенты имеют четкие зависимости от местного времени, сезона и уровня солнечной активности, что позволяет легко организовать их в эмпирическую модель.

Поскольку известно, что одним из источников долготных вариаций параметров слоя F2 являются долготные вариации вертикального дрейфа плазмы W, обусловленные увлечением заряженных частиц нейтральным ветром вдоль силовых линий неоднородного по долготе геомагнитного поля, были смоделированы вариации амплитуд и фаз тв=1 и т=2 гармоник в долготном ходе W и сопоставлены с аналогичными характеристиками в параметрах Е2-слоя.

Записав выражение для вертикального дрейфа плазмы в виде:

W = aVy + bVxt (2)

где а = -0,5s¿nDsin2/, 6 = -0,5cosZ>sin 2/,

D, I - склонение и наклонение магнитного поля Земли.

Vy, Vx -зональная и меридиональная компоненты ветра (положительные значения на восток и север, соответственно) и ограничиваясь четырьмя

гармониками для аппроксимации долготных вариаций геомагнитных коэффициентов а и 6 и двумя - для Уу и Ух, были получены коэффициенты для определения амплитуд и фаз тп = 1 и т = 2 гармоник в долготном ходе IV:

\ьШУг + (~\ь[ + \ь1)(Ух)\+

+ (3)

где aotbo,{Vv)o,{V,)o ~ среднезональные значения коэффициентов магнитного поля Земли, зональной и меридиональной компонент термосферного ветра,соответственно;

И7,',,arm,brm, (Vy)rm, (Vx)rm - коэффициенты при членах, содержащих cos mA;

Wn,a'm, b'm, (Vy)'m, {Vx)'m - коэффициенты при членах, содержащих sin rnA;

m - номер зональной гармоники; А - долгота.

Скорости ветра, необходимые для данных расчетов, были взяты из эмпирической модели горизонтальных ветров HWM-90.

Совместный анализ т—1 и т=2 гармоник в долготном ходе вертикального дрейфа плазмы, критических частот и высот максимума слоя F2 позволил сделать выводы:

- Гармоника т = 2 в долготных вариациях параметров максимума слоя F2 на средних широтах северного полушария порождается практически полностью гармоникой т = 2 в долготных вариациях вертикального дрейфа плазмы, которая образуется, в основном, при взаимодействии среднезональ-ного термосферного ветра с гармоникой т = 2 в долготных вариациях магнитного поля Земли. Суточные и сезонные вариации амплитуды и фазы гармоники ш=2 в F2-aioe четко отслеживают соответствующие вариации скорости и направления термосферного ветра.

- Гармоника т=1 в долготных вариациях параметров Г2-слоя образуется постоянно (как и гармоника т=2) за счет взаимодействия среднезонального термосферного ветра с гармоникой т=1 в долготных вариациях характеристик геомагнитного поля. Ее амплитуда меньше, чем у гармоники т—2,

что связано с особенностями строения геомагнитного поля на средних широтах северного полушария, В период середина ноября - середина февраля этот механизм наиболее развит и, в итоге, результирующий долготный ход параметров максимума слоя Р2 изменяется с местным временем, отображая суточные вариации нейтрального термосферного ветра.

В остальную часть года преобладает вклад другого механизма, генерирующего гармонику т—1 с фазой на долготе та 80°Е. Этот механизм практически полностью маскирует эффекты первого и, в результате, наблюдается устойчивый, практически не зависящий от местного времени долготный ход параметров слоя Г2 с минимальными значениями в западном секторе долгот.

В главе 4 представлен метод расчета среднезональных значений меридиональной и зональной компонент термосферного ветра по характеристикам гармоники т=2 в долготных вариациях высоты максимума Р2-слоя.

Учитывая вывод предыдущей главы, в уравнениях для и \У\ (3) были опущены члены, включающие собственные долготные вариации ветра и записаны приближенные соотношения:

Щ*а№у)о + Ъ№)0, (4)

позволившие получить выражения для среднезональных значений меридиональной и зональной компонент термосферного ветра, в частности, для широты 530N:

(У*)о и —14.5^2 ~ 0.9^3 (^)0та-Ю.ЗИ^' + 0.1^2г (5)

Тестовая проверка показала, что пренебрежение собственными долготными вариациями ветра при расчете коэффициентов и И-], а также пренебрежение дрейфом за счет электрических полей приводит к ошибке в

скоростях ветра «30 м/с, что находится в пределах точности других известных методов определения скорости ветра.

Среднезональные значения меридиональной и зональной компонент тер-мосферного ветра, рассчитанные предложенным методом с использованием характеристик гармоники ш=2 в долготных вариациях ЬтР2 из эмпирической модели ионосферы 1Ы-86 (которые затем были пересчитаны в значения И72 и по соотношениям, представленным в [5]), показали удовлетворительное согласие с эмпирической моделью горизонтальных ветров Н\<\^М-90. Расчеты ветра по ежедневным данным среднеширотной сети ионосферных станций также показали разумное согласие с предсказаниями модели Н\УМ-90 для идентичных геофизических условий. Сделан вывод, что действующую сеть ионосферных станций на средних широтах северного полушария можно использовать и по новому, в том числе, назначению: для регулярного мониторинга среднезональных значений меридиональной и зональной компонент нейтрального ветра на высотах Г2-сл0я.

Глава 5 представляет результаты анализа гармоники т = 1 в долготных вариациях параметров Г2-слоя.

Экваториальная граница вторжения высокоэнергичных частиц магнито-сферного происхождения (плазмопауза), обеспечивающих дополнительный нагрев высокоширотной термосферы, эффекты которого переносятся затем на средние широты глобальной системой циркуляции, наиболее сильно сдвинута в среднеширотную область в американском секторе долгот [11]. Это приводит к появлению гармоники т=1 в долготных вариациях температуры, нейтрального состава термосферы с фазой, расположенной в западном секторе долгот, а в долготных вариациях характеристик слоя Е'2 (в соответствии с теорией его образования [5,10,11]) - в восточном. Очевидно, что в случае распространения в термосферу и планетарной волны т—1 из нижней атмосферы, последняя должна накладываться на гармонику т=1, возникающую в термосфере и результирующая гармоника т—1

должна отражать характерные черты каждого механизма. Чтобы их выявить, нужно было прежде исключить из наблюдаемой т~ 1 гармоники ту часть вариаций, которая связана с первым источником - долготными вариациями вертикального дрейфа плазмы за счет взаимодействия среднезо-нального термосферного ветра с гармоникой ш=1 в долготных вариациях геомагнитного поля. Для этого было сделано следующее: по ежедневным полуденным значениям /оЕ, /о^Р2 и М3000Р2, измеренным на среднеширот-ной сети ионосферных станций, рассчитывалась высота максимума слоя Г2 по известной формуле Дудени, затем решалось анпроксимационное уравнение, аналогичное (1), и для каждого дня определялись коэффициенты т=1 и т—2 гармоник в долготном ходе высоты максимума Е2-слоя. (Использование в дальнейшем анализе долготных гармоник в а не абсолютных значений высоты, исключает в большой мере систематическую ошибку метода Дудени). Долготные вариации ктР2, восстановленные на широте 53°^ по рассчитанным т=1 и т—2 гармоникам и усредненные за каждые 15 дней года, показаны на рис.1.

После этого по характеристикам гармоники т—2 с использованием со отношений (5) рассчитывался среднезональный термосферный ветер, определялась гармоника т=1 в долготном ходе ктР2, обусловленная этим ветром, и удалялась из реально наблюдаемой. Сезонные вариации оставшейся т=1 гармоники показаны на рис.2, откуда следует, что она существует не постоянно и ее фаза (долгота расположения гребня) не сразу находится в соответствии с геометрией плазмопаузы. Гармоника т = 1 возникает в ноябре с фазой вблизи долготы « 240°Е, а затем смещается на запад и лишь к периоду весеннего равноденствия приходит в соответствие с геометрией плазмопаузы, где и остается постоянно. Находясь в этом положении, гармоника вначале увеличивается по амплитуде, затем уменьшается и практически полностью исчезает к началу октября.

Из полученных результатов следует, что несовпадение полюсов является не единственным фактором, обусловливающим в данном механизме процесс

361-365 331-345 301-315 271-285 241-255 211-225 181-195

1-15

100 200 300 Ъсш^Ид^е^Е

0

Рис.1

Долготные вариации высоты максимума слоя Р2 на широте 53°N для 12ЬТ, усредненные за каждые 15 дней 1977г.

/\hmF2

Рис.2

361-365 331-345 301-315

100 200 300 Ьог^11ис1е,0Е

То же, что на Рис.1, но после удаления вклада за счет долготных вариаций вертикального дрейфа плазмы, обусловленного среднезо-нальным термосферным ветром. (Штриховая линия показывает изменение со временем фазы оставшейся гармоники т=1).

формирования гармоники т— 1. Существует некоторый дополнительный фактор, также играющий определенную роль в этом процессе. Результаты теоретических работ [2-4,6], указывающие на возможность влияния планетарных волн нижней атмосферы на вариации термосферных характеристик, а также результаты главы 2, где методами статистического анализа выявлена связь между вариациями высоты изобарической поверхности 30 ГПа и вариациями критической частоты слоя Р2 (со сдвигом « 60 суток), дают основания идентифицировать дополнительный фактор с планетарной волной т— 1, распространяющейся из нижележащих атмосферных слоев. Дополнительную поддержку такой идентификации оказывает обнаруженная тенденция: чем раньше достигает максимума амплитуда стационарной планетарной волны т— 1 в стратосфере, тем раньше имеет максимум и амплитуда гармоники т—1 в критических частотах слоя Р2. Например, на средних широтах северного полушария в зимний период 1976-77гг волна т=1 в стратосфере была наиболее развита 26 декабря, в 1977-78гг это наблюдалось более чем на месяц позднее - 26 января, а в 1980-81гг еще позднее - 4 февраля. Аналогично вела себя и амплитуда гармоники т—1 в долготном ходе полуденных В первом случае она была максимальна

8 февраля, во втором случае позднее - 24 марта, а в третьем случае еще позднее - 17 апреля.

В заключении диссертации приведены основные результаты:

- выявлен отклик Б-области и Р2-слоя ионосферы на крупномасштабные возмущения стратосферы. Показано, что процесс деформации циркумполярного вихря в зимней стратосфере сопровождается колебаниями параметров стратосферы, Б-области и Е2-слоя ионосферы с квазипериодами разНЫМИ} в среднем^ ^ 20 суткам. Временной сдвиг, при котором выявляется когерентность между колебаниями, составляет ^ 20 дней для параметров ДЬзо и 60 дней для АЬзо и Л/о^2;

- предложен и реализован метод количественного анализа долготных ва-

риашш ионосферных параметров на основе расчета амплитуд и фаз гармоник с зональными волновыми числами т = 1 и т = 2 по данным наземной сети ионосферных станций;

- выявлена морфология т=1 и т=2 гармоник в долготных вариациях критических частот и высот слоя Р2 на средних широтах северного полушария;

- разработан и реализован метод расчета среднезональных значений меридиональной и зональной компонент термосферного ветра на средних широтах северного полушария по характеристикам гармоники т—2 в долготных вариациях высоты максимума Р2-слоя;

- показано, что начиная с ноября, в долготном ходе параметров Р2-слоя на средних широтах северного полушария начинает формироваться гармоника т=1, дополнительно к той, которая существует постоянно за счет гармоники т= 1 в долготных вариациях вертикального дрейфа плазмы, обусловленного среднсзональным термосферным ветром. Фаза дополнительной гармоники вначале располагается вблизи долготного сектора ~ 240"Е, где расположена и фаза стационарной планетарной волны т= 1 в стратосфере, а затем смещается на запад и к периоду весеннего равноденствия приходит в соответствие с геометрией плазмопаузы, вначале увеличиваясь по амплитуде, затем уменьшаясь и практически полностью исчезая к началу октября.

На основании полученных результатов сделаны выводы:

1. Стационарная планетарная волна т=2, хорошо развитая в зимней стратосфере, не вносит непосредственного вклада в формирование гармоники т=2 в долготных вариациях параметров Р2-слоя. Последняя генерируется на термосферных высотах, в основном, в процессе взаимодействия среднезонального термосферного ветра с гармоникой т=2 в долготных вариациях характеристик геомагнитного поля.

2. Наземная сеть ионосферных станций, расположенных на средних ши-

ротах северного полушария, может быть использована и по новому, в том числе, назначению: для регулярного мониторинга среднезональных значений меридиональной и зональной компонент нейтрального ветра на высотах F2-cnofl.

3. Стационарная планетарная волна тп—1 вносит дополнительный вклад в процесс формирования гармоники т=1 в долготных вариациях параметров ионосферного слоя F2, который протекает одновременно под контролем процессов, происходящих в высокоширотной области вторжения высокоэнергичных частиц магнитосферного происхождения.

Цитируемая литература

1. Солнечно-земные исследования в 80-ых годах. Изд.: Национальная Академия Наук США, 1981. С. 180 (перевод с английского Э.С.Казимировского. Иркутск. ИСЗФ СОРАН. 1987).

2. Charney J., Drazin P., Propagation of Planetary-Scale Disturbances from, the lower into the upper atmosphere. J.Geoph.Rcs. V.66. P. 83. 1961.

3. Pogoreltsev A.I., Sukhanova S.A. Simulation of the global structure of stationary planetary waves in the mesosphere and lower thermosphere. J. Atrn. Terr. Phys., Vol. 55, No 1, p. 33-40. 1993.

J). Arnold N.F., Robinson T.R. Solar cycle changes to planetary wave propagation and their influence on the middle atmosphere circulation. Annates Geophysicae. V.16, p.69. 1998.

5. Иванов-Холодный Г.С., Михайлов А.В. Прогнозирование состояния ионосферы. Л..Тидрометеоиздат 190с. 1980.

6. Гинзбург Э.И., Степанов Б.Е. Планетарные волны в средней атмосфере: Линейная и нелинейная теории. Метеорология (обзор, информация), Серия 37-21. 1990.

7. Данилов А.Д., Ледомская С.Ю. Зимняя аномалия области D -аэрономический и метеорологический аспекты. Геомагнетизм и аэрономия. Т.19. N6. С.961-980. 1979.

8. К.А. Каримов, П.Д. Гайнутдинова, М.А. Такырбашев, Р.Б. Бек-басаров, Динамика средней атмосферы средних широт. Фрунзе. 1982. 161 с.

9. Деминов М.Г., Карпачев А. Т. Долготный эффект в ночной сред-неширотной ионосфере по данным ИСЗ "Интеркосмос-19". Геомагнетизм и аэрономия N 5. Т.27. С. 76. 1987.

10. Клевцур C.B., Латышев К.С., Фаткуллин М.Н. Долготные эффекты в теоретических нестационарных многоме.рных моделях в области F (средние широты). Препринт N.21, (906). М. Измиран. 30с. 1989.

11. Колесник А.Г., Голиков И.А., Чернышов В.И. Математические модели ионосферы. МГП "РАСКО". 240с. 1993.

По результатам диссертации опубликовано более 50 работ, в том числе:

1. Данилов А.В., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере.// М. Гидромстеоиздат. 1987. С.270.

2: Khachikjan G.Ja., Pogoreltsev A.I., Drobjeva Ja.V. Mean thermospheri winds at middle latitudes of the Northern hemisphere derived from longitudinal variations of the F2-layer peak heights.// J.Atmos. Terr. Phys., 1997. V.59. 1391-1403.

3. Хачикян Г.Я., Погорельцев А.И., Щелкова Т. К вопросу о мониторинге термосферного ветра на средних широтах северного полушария наземной сетью ионосферных станций. Известия МН-АН РК. Серия физическая, 1997.

4. Khachikjan G.Ja. M=1 and M=2 Longitudinal Variations in the F2-Layer Peak Parameters at Middle Latitudes of the Northern Hemisphere: Possibility to Calculate Zonally-Averaged Thermospheric Winds. Abstrai. IAGA-97, Uppsala. 1997.

5. Дробжева Я.В., Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. О долготных вариациях параметров ионного трения в слое F2 на средних широтах северного полушария. Известия МН-АН РК. Серия физическая, 1997. N6.

6. Khachikjan G.Ja., ShelkovaT. Zonally-averaged noon upper thermosphe winds at middle latitudes of the Northern hemisphere in 1977 year as derived from longitudinal variations of the F2-layer peak height. Abstracts. IAGA-97, Uppsala. 1997.

7. Хачикян Г.Я., Погорельцев А.И., Дробжева. О возможности мониторинга среднезональных значений термосферного ветра на средних широтах северного полушария станциями вертикального зондирования ионосферы. Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физикй, Томск, 1996. 123-124.

8. Drobzheva Ja.V., Khachikjan G.Ja., Pogoreltsev A.I. The influence of electric fields on the longitudinal variations of the vertical plasma drift. XXV URSI General Assembly, Lille-France, 1996. p.417.

9. Khachikjan G.Ja., Pogoreltsev A.I., Drobjeva Ja.V. Zonal thermospheric winds at middle latitudes of the northern hemisphere derived from longitudinal foF2 variations. Известия МН-АН РК. серия физическая, 1994, 100-103.

10. Khachikjan G.Ja., Pogoreltsev A.I., Drobjeva Ja.V. Zonally averaged thermospheric winds at middle latitudes of the Northern Hemisphere derived from parameters of longitudinal F2-layer variations. Eighth International Symposium on Solar Terrestrial Physics, SCOSTEP, Sendal Japan 1994. p.167.

11. Khachikjan G.Ja., Pogoreltsev A.I., Drobjeva Ja.V. Zonally averaged thermospheric winds at middle latitudes of the northern hemisphhere derived from the longitudinal F2-layer peak variations. Conference on Physics of Solar-Terrestrial Relationships (Almaty, 7-11 November). 1994. p.21-22.

12. Хачикян Г.Я., Дробжева Я.В., Погорельцев А.И. К расчету термо-сферного ветра на средних широтах северного полушария по характеристикам долготных вариаций слоя F2.- Известия HAH РК, 1993, N 4, с. 45-49.

13. Дробжева Я.В., Погорельцев А.И., Ткачева И.Д., Хачикян Г.Я. "Связь между динамикой ионосферы и нейтральной атмосферы" Известия АН РК. 1992, No. 4, с. 28-36.

14. Хачикян Г.Я., Погорельцев А.И., Дробжева Я.В. Долготные вариации полуденных значений (/oF2) на средних широтах северного полушария: зависимость от сезона и уровня солнечной активности. Геомагнетизм и аэрономия. Т.31, 454-459, 1991.

15. Khachikjan G.Ya., Pogoreltsev А.1., Drobjeva Ja.V. Longitudinal variati foF2 at the middle latitudes of the Northern Hemisphere. Middle Atmosphere Sciences Symposium, XXIUGG General Assembly (Austria Vienna, August 1991), Vienna. Abstracts, p.162.

16. Дробжева Я.В., Погорельцев А.Й.,Хачикян Г.Я. О вкладе долготных вариаций нейтрального ветра в долготные вариации вертикального дрейфа плазмы на высотах ионосферного слоя F2. // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т.31. .736-738.

17. Khachikjan G.Ja., Pogoreltsev A.I., Drobjeva Ja.V. Longitudinal faF2 variations at the middle latitudes of the Northern Hemisphere. XXVIII. COSPAR. 1990. The Hague. The Netherlands (25 June - 6 Jule 1990). Abstracts, p.98.

18. Хачикян Г.Я., Погорельцев А.И., Дробжева Я.В., Кульманова М.И.

"О возможности определения индекса солнечной активности по ионосферным данным", Весник АН КазССР, 1990, N 12, с.57-62.

19. Хачикян Г.Я., Погорельцев А.И., Дробжева Я.В. Характеристики долготных вариаций (/oF2) на средних широтах северного полушария: зависимость от местного времени и сезона. Геомагнетизм и аэрономия. Т.29. С.571. 1989.

20. Ивановский А.И., Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. Моделирование глобальной структуры стационарных планетарных волн на высотах средней атмосферы. Сб. Исслед. динамических процессов в верхней атмосфере. М., 1988. с.83.

21. Кершенгольц С.З., Мамруков А.П., Полехина П.А., Хачикян Г.Я. Проявление изменчивости зимней стратосферы в высотах ионосферных слоев.// Сб. Исследование динамических процессов в верхней атмосфере. М. Гидрометеоиздат. 1988. 87.

22. Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я., Дробжева Я.В., КульмановаМ.И. О долготных вариациях критических частот слоя F2 на средних широтах северного полушария.// III семинар КАПГ по метеорологическим эффектам в ионосфере. София. 1988. 31 окт.-4нояб. Тезисы докладов, с. 122-123.

23. Ивановский А.И., Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. Модель глобальной структуры стационарных планетарных волн. Часть 2. Результаты расчетов// Сб. Волновые возмущения в ионосфере. Алма-Ата. 1987. 37-50.

24. Казимировский Э.С., Погорельцев А.И., Чернобровкина H.A., Хачикян Г.Я. О долготном ходе критических частот слоя F2.// M.:Hayi Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике солнца. 1986. N75. С.116-125.

25. Кершенгольц С.З., Мамруков А.П., Хачикян Г.Я. Отклик высоты слоя Е на возмущения в зимней стратосфере.// II семинар КАПГ

по метеорологическим эффектам в ионосфере. София. 1985. 16-20 сентября. Тезисы докладов. 51.

26. Кершенгольц С.З., Мамруков А.П., Хачикян Г.Я. Эффекты в ионосфере и стратосфере в период геомагнитных возмущений в суб-авроральных широтах.// II семинар КАПГ по метеорологическим эффектам в ионосфере. София. 1985. 16-20 сентября. Тезисы докладов. 67.

27. Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. Казимировский Э.С., Чернобров-кина H.A. О долготном ходе критических частот слоя F2 в местный полдень.// II семинар КАПГ по метеорологическим эффектам в ионосфере. София. 1985. 16-20 сентября. Тезисы докладов. 76.

28. Кершенгольц С.З., Хачикян Г.Я., Шалбаеза И.В. Пространственные изменения ионосферных и метеорологических характеристик на высоких широтах. Сб. Физические процессы в субавроральной ионосфере. Якутск. 1985, 17-27.

29. Казимировский Э.С., Кершенгольц С.З., Мамруков А.П.,.,.., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосферном F-слое на субавроральных и высоких широтах.// Физические процессы в околоземной плазме. Якутск. Наука. 1984. С.130 -139.

30. Ивановский А.И., Погорельцев А.И., Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Теоретические оценки вклада метеорологических возмущений в вариации характеристик термосферы. 3-е Всесоюзное совещание: Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи. Мурманск. Апрель, 1984. Тезисы докладов, с.13-14.

31. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Эффекты нижней атмосферы в поведении ионосферного слоя F2. Сб. Исследование динамических процессов в верхней атмосфере. М. Гидрометеоиздат, 1983, 212215.

32. Казимировский Э.С., Погорельцев А.И., Рудина М.П., Хачикян

Г.Я. Метеорологические эффекты в слое Р2 ионосферы.// Гео-магнитизм и аэрономия. 1983, т.23, 208-212.

33. Казимировский Э.С., Кершенгольц С.З., Мамруков А.П., Рудина М.П., Хачикян Г.Я. О связи параметров ионосферы и стратосферы на субавроральных широтах.// Бюллетень научно-технической информации. Якутск. 1983.

34. Казимировский Э.С., Кершенгольц С.З., Мамруков А.П., Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере субавроральных широт.// I всесоюзный симпозиум по результатам исследования средней атмосферы. А-Ата. 1983. Февраль. Тезисы докладов. 33.

35. ШалбаеваИ.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в высокоширотной ионосфере.// I всесоюзный симпозиум по результатам исследований средней атмосферы. А-Ата. 1983. Февраль. Тезисы докладов. 63.

36. Рудина М.П., Казимировский Э.С., Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. О связи между изменением метеорологических и ионосферных параметров.// I всесоюзный симпозиум по результатам исследований средней атмосферы. А-Ата. 1983. Февраль. Тезисы докладов. 60.

37. Погорельцев А.Й., Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Распространение крупномасштабных метеорологических возмущений из нижних в верхние слои атмосферы. Сб. Гелиофизические и метеорологические эффекты в ионосфере. Алма-Ата. Наука. 1982. 3-21.

38. Кульманова М.Й., Погорельцев А.И., Хачикян Г.Я. Планетарные волны в атмосфере (сравнение экспериментальных данных с результатами теоретических исследований). Сб. Гелиофизические и метеорологические эффекты в ионосфере. Алма-Ата. Наука. 1982. 49-54.

39. Kazimirovsky E.S., Vergasova G.V., Rudina M.P., Khachikjan G.Ja. Meteorological effects in the variations of ionospheric parameters -l.The lower thermosphere.// J.Atm.Terr.Phys. 1982. V.44. R913-922.

40. Казимировский Э.С., Кершенгольц C.3., Мамруков А.П., Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в вариациях ионосферных параметров.// IV всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере. Обнинск. 1982. С.16.

41. Казимировский Э.С., Рудина М.П., Хачикян Г.Я. О крупномасштабной структуре слоя F2. Всесоюзное совещание: Крупномасштабная структура субавроральной ионосферы. Якутск, 1981. с. 60-62.

42. Рудина М.П., Казимировский Э.С., Зеленкова И.А., Хачикян Г.Я. Отражение вариаций стратосферного циклона в вариациях характеристик D-области ионосферы.// Вестник Академии Наук Казахской ССР. 1980, N11. 52-57.

43. Хачикян Г.Я., Рудина М.П. О связи межсуточных изменений в характеристиках стратосферы и слоя F2.// Геомагнетизм и аэрономия. 1979. Т.19. 558-560.

44. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. О связи долготного хода /0F2 с давлением тропосферы.// Phys. Solariterr. Potsdam, 1979, N10, 117-126.

45. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Долготные эффекты в распределении критических частот слоя F2 и средних полей метеоэлементов нижней атмосферы.// Геомагнетизм и аэрономия. 1979. Т.19. 232-236.

46. Хачикян Г.Я., Рудина М.П. О связи величины электронной плотности в максимуме слоя F2 с процессами тропо-стратосферы.// Международный (в рамках КАПГ) научно-методический семинар по вертикальному зондированию ионосферы. Алма-Ата. 1978. Ок-

тябрь. Тезисы докладов. ч.1. С.46.

47. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Связь между ионосферными характеристиками и величиной общего содержания озона в атмосфере.// Симпозиум КАПГ по физике страто-мезосферы и нижней ионосферы. Ростов-на-Дону. 1977. ноябрь. Тезисы докладов. С.94.

48. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Связь между изменением в сезоне характеристик ионосферы и стратосферы.// Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1977. вып.41. 160-163.

49. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Подобие в изменении характеристик Р-области ионосферы и стратосферы.// Геомагнетизм и аэрономия. 1977. Т.17. с.137-138.

50. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. О связи динамики ионосферы с динамикой атмосферы в целом.// Геомагнетизм и аэрономия. 1976. Т.16. с.1122-1123.

51. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Эффекты, наблюдаемые в слое Р2 во время перестройки стратосферной циркуляции. Симпозиум КАПГ по солнечно-земной физике. Тбилиси. Сентябрь, 1976. Тезисы докладов, с.129-131.

52. Рудина М.П., Хачикян Г.Я. Связь между критическими частотами слоя Р2 и величиной общего содержания озона в атмосфере.// Ионосфера и солнечно-земные связи. Алма-Ата. 1975. с. 54-57.

Солтустж жарты шардьщ ионосфераньщ метеорологиялык, эсерлер!

Диссертация ионосфералык, мен метеорологиялык, параметрлердщ турлемдершщ байланыс кдсиеттерш зертгеуге арналган.

Кыс мерз!мде ионосфераньщ Д-кдбатында етш жататын процесстерге стратосферада жаралган уйыткулар веер етедо, эсерлердщ табигаты климатка байланысты деп кррытынды айцындалган. Осы мацызды натиже жацадан табылып ец алгапщы ретщде керсетшп тур.

Ионосфералык; параметрлердщ бойлык; турлемдерш жекелеп жэне талдамдау ушш жаца эдю хеке келтсртген. Бул эдю'й ¡ске асыру ушш гармоникалардьщ амплитуда мен фаза мацыздары есептелген; есен шыгарганда гармоникалардьщ зоналдык, толкдады сандар 1 мен 2-ге тец деп шарт крйылган (т=1, т=2).

Солтустж жарты шардьщ орташа кенднегерге кдтысты иоиосфераныд Р-2 кдбатгыц шегше жеткен жишй мен бишттнщ бойлык, турлемдердщ гармоникалардыц (т=1, т=2) морфологиясы ец алгашкы ретшде белгшенген.

Ионосфераньщ Р2-кдбаттьщ параметрлердщ бойлык турлемдершщ гармоникалар пайда болуына жауапты физикалык, мехапизмдер1 белгшенген; гармоникалардьщ сандары 1 мен 2-ге тец.

Р2-кабаттыц бткттнщ бойлык, турлемдердщ саны 2-ге тец (ш=2) гармоникасьгаьщ сипаттамаларын пайдаланып зоналдык, термосфералык, жэне меридионалдык; жедцердщ жылдамдыгын есептейтш жана эд1с енделген.

Meteorological effects in the ionosphere at middle latitudes of the northern hemisphere

The thesis deals with the investigations of stratosphere - ionosphere relationships at middle latitudes of the northern hemisphere.

The responce of D and F2 regions of ionosphere on winter stratosphere disturbances is investigated.

The method for quantitative analysis of longitudinal ionosphere parameter variations using harmonics with zonal wave numbers m—1 and m~2 is realized.

The morphology of m—1 and rn=2 harmonics in longitudinal variations of foF2 and hmF2 for constant LT at middle latitudes of the northern hemisphere are obtained and the physical mechanisms which are responsible for their existence are found.

The method to derive zonally-averaged meridional and zonal neutral thermosphere winds using m—2 longitudinal variations in the F2-layer peak heights is developed.