Comparison of Trends in Various Parameters of the F22 Layer

Abstract

Estimates of the long-term changes in the ionospheric F2-layer parameters (slab thickness, total electron content, height, and maximal electron concentration) are presented and mutually compared. It is shown that these estimates mutually agree and show that both foF2 and hmF2 are decreasing during the recent decades.

Full Text

Проблема долговременных изменений (трендов) параметров ионосферного слоя F2 хорошо известна и ей посвящено много публикаций. Авторы неоднократно публиковали результаты своих определений трендов критической частоты и высоты слоя F2 (см. недавние работы Данилова и др. [2024а, б]). Цель данной работы показать, как наши результаты согласуются с результатами оценок трендов двух других параметров слоя F2 – полного содержания электронов TEC и приведенной толщины (slab thickness) ионосферного слоя F2, ST.

Существует несколько экспериментальных оценок скорости изменения со временем (тренда) ST. Эти данные получены разными методами на основании наблюдений полного содержания электронов в ионосфере TEC или моделей. Вот краткая сводка этих измерений из работы большой группы авторов [Elias et al., 2024]:

−7.6 км/год (SWACI TEC, Jakowski et al. [2017]),

−9.4 км/год (CODE TEC, Jakowski et al. [2017]),

−5.1 км/год (SPIDR, Jakowski et al. [2017]),

−5.2 км/год (Pignalberi et al., [2022]).

Примем для простоты на основании этих данных, что производная по времени величины приведенной толщины (ST) d(ST)/dt = –6 км/год. На основании тех же работ можно принять, что сама величина ST составляет примерно 300 км. В этом случае [d(ST)/dt]/ST = –0.02 в год.

По определению

ST=TEC/NmF2. (1)

Путем несложных преобразований легко получить

[d(ST)/dt]/ST =

= [d(TEC)/dt]/TEC–[d(NmF2)/dt]/NmF2. (2)

Согласно нашим исследованиям (см., например, Данилов и др. [2024а]) величина тренда критической частоты в периоды, когда изменение foF2 происходит сильнее всего (зимние месяцы, дневные часы суток), составляет около –0.05 МГц в год. Если принять среднюю величину foF2 равной 8 МГц, мы получим [d(foF2)/dt]/ foF2 =–0.006 в год.

Поскольку NmF2 пропорциональна (foF2)², [d(NmF2)/dt]/NmF2 = –0.012 в год.

Возвращаясь к формуле (2), мы получаем

–0.02 = [d(TEC)/dt]/TEC + 0.012. (3)

Это означает, что [d(TEC)/dt]/TEC = –0.032, т.е. полное содержание электронов TEC уменьшается примерно на 3% в год.

В нашем обзоре [Данилов и Константинова, 2020] рассматривались, в том числе, и работы многих авторов по определению трендов TEC. Хотя в результатах этих работ нет полного согласия, в большинстве исследований получены отрицательные тренды TEC. Так, согласно работе Emmert et al. [2017] изменение ТEС между двумя соседними минимумами солнечной активности составляет −19.3% ± 1%. Если это так, то, принимая период между минимумами, равным 11 годам, мы получаем тренд TEC, равный –1.8% в год. Учитывая приближенный характер наших оценок, эта величина близка к величине, полученной нами выше из данных о трендах ST и foF2 (–3% в год).

В недавней работе [Данилов и др., 2024б] анализировались тренды высоты слоя F2 hmF2 по измерениям на двух ионосферных станциях. Были подробно исследованы суточные и сезонные вариации этих трендов. Опуская детали, можно утверждать согласно этим результатам, что величина hmF2 в течение последних десятилетий уменьшалась на 0.6–1.0 км в год.

Если такое систематическое уменьшение величины hmF2 действительно существует, величины TEC должны неизбежно уменьшаться, поскольку это означает, что весь слой F2 опускается на высоты с более высоким содержанием молекул, а значит – с более высокой скоростью рекомбинации. В этом случае также неизбежно должны уменьшаться величины электронной концентрации на каждой высоте и, как следствие, – величины TEC.

Таким образом, наши оценки трендов высоты слоя F2 приводят к выводу о неизбежности наличия отрицательных трендов критической частоты слоя и полного содержания электронов. Именно такие тренды и получены нами ранее на основании данных вертикального зондирования (отрицательные тренды foF2). Приведенные выше оценки трендов TEC, основанные на опубликованных трендах полутолщины слоя F2, также дают отрицательные тренды.

Основной вывод этой работы таков: четыре группы независимых экспериментальных данных о параметрах слоя F2 (foF2, hmF2, TEC и ST) дают взаимно согласующиеся указания на отрицательные тренды этих параметров. Это является дополнительным подтверждением нашей концепции отрицательных трендов foF2 и hmF2, опубликованной в ряде работ (см. Данилов и др. [2024а, б]). Стоит подчеркнуть, что все рассмотренные данные получены для средних широт.