Seasonal Features of theNmF2 Variability for Different Longitudes of the Middle Latitudes During Enhanced Geomagnetic Activity

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Под изменчивостью ионосферы понимают флуктуации параметров ионосферы относительно фона. Изменчивость концентрации максимума слоя F2 ионосферы NmF2 (или критической частоты foF2 ~ NmF2^1/2) исследовалась неоднократно [Forbes et al., 2000; Rishbeth and Mendillo, 2001; Araujo-Pradere et al., 2005; Fotiadis and Kouris, 2006; Altadill, 2007; Zhang and Holt, 2008; Pirog et al., 2011; Deminov et al., 2013; Ratovsky et al., 2015, 2023]). Ниже NmF2 обозначена через Nm для краткости изложения. В этих работах изменчивость Nm оценивалась по величине стандартного (или среднеквадратичного) отклонения Nm относительно фона. В качестве фона можно использовать средние значения Nm для низкой геомагнитной активности. Получение таких значений Nm сопряжено с определенными трудностями, поскольку периоды продолжительной низкой геомагнитной активности встречаются нечасто (см., например, [Rishbeth and Mendillo, 2001]). Этот способ определения статистических свойств флуктуаций Nm относительно спокойного уровня при разных уровнях солнечной и геомагнитной активности был реализован по данным ст. Irkutsk (52.5° N, 104° E), Alma-Ata (52.5° N, 104° E) и Yamagawa (31.2° N, 130.6° E) [Деминов и др., 2015, 2023].

Эти станции расположены в определенном долготном секторе. В разных долготных секторах свойства изменчивости Nm могут отличаться. Эти отличия в периоды конкретных геомагнитных бурь отмечены, например, в работах [Kilifarska, 1988; Shpynev et al., 2018; Chernigovskaya et al., 2021; Черниговская и др., 2022]. Они до некоторой степени были учтены в эмпирической модели бури в ионосфере [Araujo-Pradere et al., 2002] и в полуэмпирической модели отрицательной фазы ионосферной бури [Аннакулиев и др., 1997]. В эмпирической модели бури в ионосфере поправка на геомагнитную бурю зависит от исправленной геомагнитной (CGM) широты [Araujo-Pradere et al., 2002]. Следовательно, можно было предположить, что на средних широтах для высокой геомагнитной активности свойства изменчивости ионосферы на разных долготах будут почти одинаковы для фиксированной CGM-широты и местного времени. Первая проверка этого предположения была выполнена нами по данным ионосферных станций на близких CGM-широтах (49±2° N) для дневных и ночных часов при повышенной и высокой геомагнитной активностях без разделения на сезоны [Депуев и др., 2024]. Кроме исправленных геомагнитных координат [Gustafsson et al., 1992] были рассмотрены координаты наклонного (TD) и эксцентричного (ED) диполя [Fraser-Smith, 1987; Деминов и Фищук, 2000; Koochak and Fraser-Smith, 2017]. Напомним, что CGM-, TD- и ED-координаты являются аппроксимациями геомагнитного поля, в TD-координатах центр диполя совпадает с центром Земли и ось диполя наклонена относительно оси вращения, ED-координаты отличаются от TD-координат тем, что центр диполя не совпадает с центром Земли. Было установлено, что ED-широты, а не CGM-широты, являются оптимальными для учета эффектов бурь в концентрации максимума слоя F2 на средних широтах [Депуев и др., 2024]. Этот вывод был предварительным, поскольку свойства изменчивости Nm могут существенно зависеть от сезона (см., например, [Araujo-Pradere et al., 2005]). Целью данной работы был анализ свойств изменчивости Nm в дневные и ночные часы в разные сезоны при низкой и повышенной геомагнитной активности. Одной из основных целей работы было определение оптимальных геомагнитных координат (TD, ED или CGM) для учета эффектов бурь в Nm с учетом сезонных особенностей этих эффектов.

Ниже представлены результаты этой работы. Они приведены в следующей последовательности: локальные модели Nm для спокойного уровня, т.е. низкой геомагнитной активности, статистические свойства флуктуаций Nm относительно спокойного уровня при низкой и повышенной геомагнитной активности в разные сезоны в дневные и ночные часы, обсуждение этих свойств и выводы.

2. МОДЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МАКСИМУМА СЛОЯ F2 ДЛЯ НИЗКОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

В данном случае эмпирическая модель концентрации максимума слоя F2 для низкой геомагнитной активности Nm₀ по данным конкретной станции представляет собой набор коэффициентов a_j (j = 0, 1, 2, 3) уравнения регрессии

$N{m}_0\left(F\right)=a_0+a_{1}F+a_2{F}^2+a_3{F}^3$ (1)

для каждого часа мирового времени UT с дискретностью 1 час и месяца года (M = 1 – январь, M = 12 – декабрь), где

$F=0.5\left(F_1+F_m\right),$ (2)

F₁ и F_m – величина потока солнечного излучения на длине волны 10.7 см (в 10^-22 Вт/м² Гц) в данный день и среднее за 81 день значение этого потока, центрированное на данный день.

Коэффициенты a_j уравнения (1) для каждого фиксированного значения UT и M определялись по массиву данных часовых значений Nm конкретной станции за 1958−1988 гг., из которого исключались данные, которые не удовлетворяли условию

$ap\left(\tau \right)<\mathrm{9,}$ (3)

где ap(τ) – средневзвешенное значение ap-индекса геомагнитной активности с характерным временем T = 14 ч или τ = exp(−3/T) ≈ 0.8 [Wrenn, 1987]:

$ap\left(\tau \right)=(1-\tau )(a{p}_0+a{p}_{-1}\tau +a{p}_{-2}{\tau }^2+\dots ),$ (4)

ap₀, ap_-1 и т.д. – значения ap-индекса в данный, предыдущий и т.д. трехчасовые интервалы. Условие (3) предназначено для исключения из рассмотрения эффектов магнитосферных бурь в ионосфере [Wrenn and Rodger, 1989]. В данном случае спокойная ионосфера – это ионосфера, из которой исключены эффекты магнитосферных бурь. Уравнения (1)–(4) совпадают с приведенными нами ранее [Депуев и др., 2024].

Для анализа были использованы данные ионосферных станций за 1958–1988 гг., координаты которых приведены в табл. 1. Геомагнитные широты (TD, ED и CGM) в этой таблице вычислены для 1980 г. по международной модели IGRF-13 [Alken et al., 2021]. В данном случае эти станции расположены на географических широтах 50±12° N, TD-широтах 49±8° N, ED-широтах 47.5±7.5° N, CGM-широтах 49±8° N. Отметим, что в табл. 1 приведены 17 станций, в предыдущей работе [Депуев и др., 2024] использовалось 7 разнесенных по долготе станций на близких CGM-широтах (49±2° N).

На первом этапе для каждой из этих станций были получены эмпирические модели концентрации максимума слоя F2 для низкой геомагнитной активности Nm₀, которые представляют собой уравнения (1) для каждого часа мирового времени и месяца года.

На следующем этапе модели Nm₀ были использованы для анализа свойств флуктуаций Nm относительно спокойного уровня (в процентах), x = (Nm/Nm₀ – 1)·100%, по данным выбранных станций: стандартного отклонения σ(x), среднеквадратичного отклонения s(x) и среднего сдвига x_ave этих флуктуаций относительно спокойного уровня (см., например, [Taylor, 1982]):

$x_{\text{ave}}=\left(1/n\right){\Sigma }_i{x}_i,$

${\sigma }^2=\left(1/n\right){\Sigma }_i{\left(x_i-x_{\text{ave}}\right)}^2,$ (5)

$s^2=\left(1/n\right){\Sigma }_i{x_i}^2={\sigma }^2+{x_{\text{ave}}}^2,$

где x_i = (Nm(i)/Nm₀ – 1)·100%, Σ_i обозначает суммирование по индексу i от 1 до n, n – число значений x данной выборки. При записи этих уравнений учтено, что во всех рассмотренных ниже случаях величина n > 100 и можно не учитывать разницу между (n–1) и n. Последнее из равенств (5) показывает, что квадрат среднеквадратического отклонения x относительно спокойного уровня складывается из дисперсии σ², которая характеризует флуктуации x относительно их среднего значения, и квадрата этого среднего значения. Если модель (1) для спокойных условий является точной, то для этих спокойных условий величина x_ave = 0. Следовательно, величина x_ave характеризует систематическое изменение (сдвиг) Nm относительно спокойного уровня. Величины σ и x_ave рассмотрены ниже в качестве основных характеристик флуктуаций Nm относительно спокойного уровня Nm₀, поскольку величина s(x) однозначно связана с σ и x_ave уравнением, приведенным выше.

Для получения надежных статистических оценок были использованы данные ионосферных станций за 1958–1988 гг. для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов для трех сезонов (зима (11, 12, 1, 2), равноденствия (3, 4, 9, 10), лето (5, 6, 7, 8), где число обозначает номер месяца года), для двух интервалов геомагнитной активности: низкая (ap(τ) < 9) и повышенная (48 > ap(τ) > 27) активность.

Флуктуации Nm относительно спокойного уровня Nm₀ для низкой геомагнитной активности являются характеристиками точности модели Nm₀ и изменчивости ионосферы для этой активности. Для приведенных в таблице 1 станций для низкой геомагнитной активности в дневные и ночные часы для всех сезонов выполнено условие

${x_{\text{ave}}}^2\ll {\sigma }^2.$ (6)

Для дневных часов сезонные различия флуктуаций Nm обычно незначительны. Например, |x_ave| ≤ 1%, σ = 18–20% для типичных среднеширотных станций Slough, Juliusruh, Moscow в дневные часы для всех сезонов. В ночные часы для этих станций сезонные различия флуктуаций Nm существенны: x_ave = −4±1%, σ = 26–27% зимой, x_ave = −1±0.5%, σ = 23–24% в равноденствия, x_ave = −0.3±0.1%, σ = 20–22% летом. Данные других анализируемых станций подтверждают приведенные результаты: для низкой геомагнитной активности флуктуации Nm почти не зависят от сезона в дневные часы, в ночные часы они больше, чем в дневные часы, и максимальны в ночные часы зимой. Для всех анализируемых станций в ночные часы зимой наблюдается систематический отрицательный сдвиг (x_ave < 0) и в среднем x_ave = −4%. Тем не менее, условие (6) выполнено даже для ночных часов зимой, т.е. модель (1) является достаточно точной для всех анализируемых случаев. В данном случае дисперсия σ² относительных флуктуаций Nm отражает внутреннюю, т.е. не связанную с геомагнитной активностью, изменчивость ионосферы.

Для типичных среднеширотных станций (Slough, Juliusruh, Moscow) число измерений Nm в интервале 1958–1988 гг. в среднем равно 4000–4500 для каждого из сезонов в дневные и ночные часы при низкой геомагнитной активности. Для этих же условий, но при повышенной геомагнитной активности (48 > ap(τ) > 27), число измерений составляет примерно 800, 1200 и 1000 для зимы, равноденствия и лета. Причина этого: полугодовые изменения геомагнитной активности с максимумами осенью и весной и минимумами летом и зимой, причем минимум зимой более значителен, чем летом [Cliver et al., 2002]. Для аналогичных условий, но при высокой геомагнитной активности (ap(τ) > 48) число измерений около 130, 340, 290. Из приведенных данных следует, что в среднем число измерений для низкой геомагнитной активности примерно в 4–5 и 10–30 раз больше числа измерений при повышенной и высокой геомагнитной активности соответственно. Число измерений при высокой геомагнитной активности незначительно, несмотря на очень большой диапазон изменения этой активности. По этой причине получение корректных оценок изменчивости Nm для высокой геомагнитной активности возможно только без разделения на сезоны. Такие оценки были приведены нами ранее [Депуев и др., 2024]. Ниже представлены оценки изменчивости Nm при повышенной геомагнитной активности для разных сезонов, начиная с равноденствия, поскольку число измерений Nm для этого сезона максимально.

3. ИЗМЕНЧИВОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ МАКСИМУМА СЛОЯ F2 ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

В табл. 1 приведены результаты вычисления среднего сдвига x_ave и стандартного отклонения σ концентрации максимума слоя F2 от спокойного уровня для анализируемых станций в дневные (11–13 LT) и ночные (23–01 LT) часы для повышенной геомагнитной активности (48 > ap(τ) > 27). Из этих результатов можно видеть, что стандартные отклонения σ лежат в диапазоне 23–34% и 22–33% в дневные и ночные часы. Следовательно, в среднем стандартное отклонение σ для повышенной геомагнитной активности больше, чем для спокойных условий, примерно на 10% и 5% в дневные и ночные часы. В целом, отличия в значениях σ между анализируемыми станциями не очень большие: σ = 28.5±5.5% и σ = 27.5±5.5% в дневные и ночные часы.

 

Таблица 1. Ионосферные станции, их географические (GEOGR) координаты, широты наклонного (TD), эксцентричного (ED) диполя и исправленные геомагнитные (CGM) широты. Статистические свойства изменчивости концентрации максимума слоя F2 (среднего сдвига x_ave и стандартного отклонения σ относительно спокойного уровня) в равноденствия для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при повышенной (48 > ap(τ) > 27) геомагнитной активности

№	Станция	GEOGR		TD	ED	CGM	48 > ap(τ) > 27
		Lon, ° E	Lat, ° N	Lat, ° N	Lat, ° N	Lat, ° N	11–13 LT xave/σ, %	23–01 LT xave/σ, %
1	Slough	–0.6	51.5	54	51.1	48.3	–24/27	–36/22
2	Poitiers	0.3	46.6	49.1	46.3	42.1	–21/28	–21/25
3	Rome	12.5	41.8	42.1	39.9	35.5	–06/32	–09/29
4	Juliusruh	13.4	54.6	54.2	52	50.8	–28/26	–39/23
5	Kalinigrad	20.6	54.7	52.9	51.1	50.6	–28/25	–37/24
6	Kiev	30.5	50.5	47.1	45.7	45.7	–21/29	–22/26
7	Leningrad	30.7	60.0	56.1	54.9	55.8	–34/23	–47/28
8	Moscow	37.3	55.5	50.7	49.7	51	–25/29	–35/24
9	Rostov	39.7	47.2	42.4	41.3	42.2	–11/31	–13/28
10	Tomsk	84.9	56.5	46.1	47.1	51.5	–20/28	–28/26
11	Irkutsk	104.0	52.5	41.3	42.9	47.1	–13/28	–16/26
12	Yakutsk	129.6	62.0	51.3	54.6	55.6	–38/23	–47/27
13	Magadan	151.0	60.0	51	53.9	53.2	–36/23	–47/23
14	Boulder	254.7	40.0	48.9	47.4	49.2	–20/32	–11/33
15	Washington	282.9	38.7	49.8	46.9	50.8	–11/32	–17/33
16	Ottawa	284.1	45.4	56.5	53.4	57.3	–29/28	–39/30
17	Wallops Is	284.5	37.8	48.9	46	49.9	–15/34	–12/32

 

Для всех приведенных в табл. 1 случаев сдвиг x_ave < 0, т.е. в равноденствия при повышенной геомагнитной активности этот сдвиг соответствует уменьшению Nm относительно спокойного уровня – отрицательная фаза ионосферного возмущения. Диапазон изменений |x_ave| равен 6–38% и 9–47% для дневных и ночных часов. Следовательно, для всех анализируемых станций в дневные и ночные часы средняя величина |x_ave| в периоды повышенной геомагнитной активности на порядок больше, чем для спокойных условий.

Не менее важным является очень большой диапазон изменений x_ave между анализируемыми станциями: |x_ave| = 22±16% и |x_ave| = 28±19% для дневных и ночных часов. Эффекты ионосферных возмущений в периоды повышенной геомагнитной активности зависят от широты, поскольку источник этих возмущений расположен в высоких широтах. В качестве таких широт можно выбрать широты в координатах ED, TD или CGM и оценить, которая из них является более точной для описания возмущений в ионосфере средних широт в периоды повышенной геомагнитной активности. Для этого по данным x_ave в таблице 1 были определены коэффициенты уравнений регрессии (a и b) и статистические свойства этих уравнений

$x_{\text{ave}}=a+b\Phi ,$ (7)

где Φ – TD-, ED- или CGM-широты, которые для каждой из анализируемых станций (и каждого x_ave в дневные или ночные часы) приведены в таблице 1. Для равноденствий результат показан на рис. 1, где приведены исходные данные x_ave, уравнения регрессии (7), коэффициенты определенности R² и стандартные отклонения σ для этих уравнений. Отметим, что R – коэффициент корреляции между вычисленными по уравнению (6) и исходными значениями x_ave. Из данных на рисунке 1 следует, что зависимость x_ave от ED-широты гораздо точнее зависимости x_ave от TD- или CGM-широты, как в дневные, так и в ночные часы: а) коэффициент определенности R² для зависимости x_ave от ED-широты в 1.5 раза больше, чем для этой зависимости от TD- или CGM-широты; б) величина σ для зависимости x_ave от ED-широты в 1.7–2 раза меньше, чем для этой зависимости от TD- или CGM-широты.

 

Рис. 1. Зависимости среднего сдвига x_ave концентрации максимума слоя F2 от широт наклонного (TD) или эксцентричного (ED) диполя или исправленных геомагнитных (CGM) широт в равноденствия для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при повышенной геомагнитной активности по данным в табл. 1 (точки). Уравнения регрессии (7) по этим данным (сплошные линии), коэффициенты определенности R² и стандартные отклонения σ для этих уравнений.

 

На рис. 2 для лета приведены исходные данные x_ave, уравнения регрессии (7), коэффициенты определенности R² и стандартные отклонения σ для этих уравнений. Они основаны на данных ионосферных станций, координаты которых приведены в табл. 1. Из данных на рис. 2 можно видеть, что в дневные часы зависимости x_ave от ED- или CGM-широты точнее зависимости x_ave от TD-широты. Для этих часов зависимость x_ave от CGM-широты немного точнее зависимости x_ave от ED-широты: разница стандартных отклонений σ для этих зависимостей относительно низкая и равна 0.5%. Поэтому можно утверждать, что в данном случае точности зависимостей x_ave от ED- или CGM-широт почти совпадают. Из данных на рис. 2 следует, что для ночных часов зависимость x_ave от ED-широты гораздо точнее зависимости x_ave от TD- или CGM-широты: а) коэффициент определенности R² для зависимости x_ave от ED-широты в 1.5 раза больше, чем для этой зависимости от TD- или CGM-широты; б) величина σ для зависимости x_ave от ED-широты в 1.6–1.7 раза меньше, чем для этой зависимости от TD- или CGM-широты.

 

Рис. 2. Зависимости среднего сдвига x_ave концентрации максимума слоя F2 от широт наклонного (TD) или эксцентричного (ED) диполя или исправленных геомагнитных (CGM) широт летом для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при повышенной геомагнитной активности по данным ионосферных станций, координаты которых приведены в табл. 1 (точки). Уравнения регрессии (7) по этим данным (сплошные линии), коэффициенты определенности R² и стандартные отклонения σ для этих уравнений.

 

На рис. 3 для зимы приведены исходные данные x_ave, уравнения регрессии (7), коэффициенты определенности R² и стандартные отклонения σ для этих уравнений. Они основаны на данных ионосферных станций, координаты которых приведены в табл. 1. Из данных на рис. 3 можно видеть, что для дневных часов зависимость x_ave от ED-широты гораздо точнее зависимости x_ave от TD- или CGM-широты: а) коэффициент определенности R² для зависимости x_ave от ED-широты в 1.4−1.7 раза больше, чем для этой зависимости от TD- или CGM-широты; б) величина σ для зависимости x_ave от ED-широты в 1.6–1.8 раза меньше, чем для этой зависимости от TD- или CGM-широты. Уравнения регрессии (7) для ночных часов зимой описывают только небольшую часть зависимости x_ave от широты: 28, 36 и 15% этой зависимости для координат TD, ED и CGM, если судить по данным R² на рис. 3. Тем не менее, даже в этом случае зависимость x_ave от ED-широты точнее зависимости x_ave от TD- или CGM-широты. Из данных на рис. 3 можно видеть, что x_ave > 0 в дневные часы на ED-широтах, меньших 45° N. Следовательно, в дневные часы зимой при повышенной геомагнитной активности на относительно низких широтах наблюдается положительная фаза бури в ионосфере, на более высоких широтах – отрицательная фаза этой бури. Из данных на рис. 1 и рис. 2 можно видеть, что при повышенной геомагнитной активности в равноденствия и летом на всех анализируемых станциях наблюдается только отрицательная фаза ионосферной бури, т.е. x_ave < 0 для этих условий.

 

Рис. 3. Зависимости среднего сдвига x_ave концентрации максимума слоя F2 от широт наклонного (TD) или эксцентричного (ED) диполя или исправленных геомагнитных (CGM) широт зимой для дневных (11–13 LT) и ночных (23–01 LT) часов при повышенной геомагнитной активности по данным ионосферных станций, координаты которых приведены в табл. 1 (точки). Уравнения регрессии (7) по этим данным (сплошные линии), коэффициенты определенности R² и стандартные отклонения σ для этих уравнений.

 

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Выше было получено, что модель (1) для концентрации Nm₀ при низкой геомагнитной активности является достаточно точной для анализируемых станций, поскольку для этой активности выполнено условие (6): стандартные отклонения σ гораздо больше средних отклонений (сдвига) x_ave измеренных значений Nm от Nm₀. Для низкой геомагнитной активности флуктуации Nm относительно Nm₀ почти не зависят от сезона в дневные часы, в ночные часы они больше, чем в дневные часы. Эти флуктуации максимальны в ночные часы зимой, когда наблюдается отрицательный сдвиг Nm относительно Nm₀ и в среднем x_ave = −4%. Существование такого сдвига указывает на неточность модели (1) для ночных условий зимой при низкой геомагнитной активности. Для этих условий зимой на средних широтах зависимость Nm₀ от индекса солнечной активности F практически отсутствует для низкой солнечной активности и Nm₀ увеличивается с ростом F для высокой солнечной активности (см., например, [Кринберг и Тащилин, 1984]). Поэтому более точным было построение модели (1) для нескольких интервалов индекса солнечной активности. Тем не менее, даже для ночных зимних условий выполнено условие (6), т.е. модель (1) обладает достаточной точностью для решения поставленной задачи.

В модели (1) использован индекс солнечной активности F, который основан на традиционном индексе F10.7. Поток солнечного радиоизлучения на длине волны 30 см (индекс F30) может быть более точным, чем F10.7, индикатором солнечной активности для медиан или ежегодных значений foF2 [Danilov and Berbeneva, 2023; Laštovička and Burešova, 2023]. Медианы и ежегодные значения foF2 в значительной степени являются характеристиками долговременных (климатических) изменений foF2. Разница между индексами F30 и F10.7 (с учетом приведения одного индекса к другому на основе уравнения регрессии) такова, что она не имеет значения для большинства приложений космической погоды, но может быть важной для исследований космического климата [Dudok de Wit and Bruinsma, 2017]. В данном случае нас интересовала космическая погода, поэтому мы сохранили индекс F как индикатор солнечной активности для ежедневных значений Nm₀ во все часы мирового времени.

Приведенные на рисунках 1–3 данные отражают известные закономерности бури в ионосфере средних широт: а) амплитуда отрицательной фазы бури (x_ave < 0) больше летом, чем зимой, и в ночные часы больше, чем в дневные часы; б) положительная фаза бури (x_ave > 0) чаще наблюдается в дневные часы зимой на относительно низких широтах [Prölss, 1977; Fuller-Rowell et al., 1996; Mikhailov, 2000; Kumar and Parkinson, 2017]. Например, средние по 17 анализируемым станциям значения x_ave в дневные часы равны –7, –22 и –24% зимой, в равноденствия и летом; в ночные часы эти значения равны –10, –28 и –31%.

Отличия в значениях стандартного отклонения σ между анализируемыми станциями для умеренной геомагнитной активности не очень большие. Например, для равноденствия σ = 28.5±5.5% и σ = 27.5±5.5% в дневные и ночные часы (см. табл. 1). Это не позволило выбрать оптимальные геомагнитные широты для учета зависимости σ от широты.

Отличия в значениях среднего сдвига x_ave концентрации максимума слоя F2 относительно спокойного уровня между анализируемыми станциями достаточно большие. Сильная зависимость x_ave от геомагнитных широт может быть одной из основных причин такого отличия. В качестве таких геомагнитных широт были выбраны TD-, ED- и CGM-широты. Было получено, что для повышенной геомагнитной активности зависимость x_ave от ED-широты точнее зависимостей x_ave от TD-широты и CGM-широты в ночные часы для всех сезонов и в дневные часы для равноденствий и зимы. В дневные часы летом зависимости x_ave от ED- и CGM-широты практически совпадают по точности, и они точнее зависимости x_ave от TD-широты. Следовательно, в целом, ED-широты являются оптимальными для учета эффектов бурь в концентрации максимума слоя F2 на средних широтах во все сезоны для периодов повышенной геомагнитной активности. Этот вывод получен, по-видимому, впервые. Для высокой геомагнитной активности, но без разделения на сезоны, аналогичный вывод был получен нами ранее [Депуев и др., 2024]. Высокая геомагнитная активность встречается нечасто, поэтому нам не удалось получить корректные оценки зависимости изменчивости ионосферы от сезона для этой активности.

6. ВЫВОДЫ

На основе данных семнадцати среднеширотных ионосферных станций за 1958–1988 гг. проведен анализ сезонных особенностей концентрации максимума слоя F2 (NmF2) на разных долготах при повышенной (48 > ap(τ) > 27) геомагнитной активности, где ap(τ) – средневзвешенный (с характерным временем 14 ч) ap-индекс этой активности. В качестве характеристик этой изменчивости использованы стандартное отклонение σ флуктуаций Nm относительно спокойного уровня и средний сдвиг этих флуктуаций x_ave в дневные (11–13 LT) и ночные (23–01 LT) часы. Получены следующие выводы.

1. На всех анализируемых станциях дисперсия σ² для повышенной геомагнитной активности больше, чем для спокойных условий, и, при прочих равных условиях, она максимальна зимой в ночные часы.
2. Для повышенной геомагнитной активности изменения x_ave отражают известные закономерности бури в ионосфере средних широт: а) амплитуда отрицательной фазы бури (x_ave < 0) больше летом, чем зимой, и в ночные часы больше, чем в дневные часы; б) положительная фаза бури (x_ave > 0) чаще наблюдается в дневные часы зимой на относительно низких широтах.
3. Для повышенной геомагнитной активности во все сезоны разница в значениях x_ave между анализируемыми станциями достаточно большая. Одна из причин этой разницы связана с зависимостью x_ave от геомагнитных широт. Для выбора этих широт использованы аппроксимации геомагнитного поля наклонным диполем (TD), эксцентричным диполем (ED) или с помощью исправленных геомагнитных (CGM) координат. Получено, что зависимость x_ave от ED-широты точнее зависимости x_ave от TD-широты или CGM-широты во все сезоны в ночные часы и в равноденствия и зимой в дневные часы. Летом в дневные часы зависимости x_ave от ED-широты и CGM-широты сопоставимы по точности, и они точнее зависимости x_ave от TD-широты. Следовательно, ED-широты являются оптимальными для учета эффектов бурь в концентрации максимума слоя F2 на средних широтах во все сезоны. Этот вывод получен, по-видимому, впервые.

БЛАГОДАРНОСТИ

Данные критических частот слоя F2 анализируемых ионосферных станций, индексы солнечной и геомагнитной активности были взяты c сайтов Space Physics Interactive Data Resource (SPIDR, http://spidr.ngdc.noaa.gov/, до 2015 года), WDC for Solar-Terrestrial Physics, Chilton (http://www.ukssdc.ac.uk/wdcc1/), WDC for Geomagnetism, Kyoto (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/).

About the authors

V. H. Depuev

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Author for correspondence.
Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

M. G. Deminov

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

G. F. Deminova

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

A. H. Depueva

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences (IZMIRAN)

Email: depuev@izmiran.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

References

Supplementary files