INFLUENCE OF JANUARY 2009 STRATOSPHERIC WARMING ON HF RADIO WAVE PROPAGATION IN THE LOW-LATITUDE IONOSPHERE
Abstract and keywords
Abstract (English):
For the first time, we consider the effect of the January 23–27, 2009 sudden stratospheric warming (SSW) event on HF radio wave propagation in the equatorial ionosphere. This event took place during extremely low solar and geomagnetic activity. We use the simulation results obtained with the Global Self-consistent Model of the Thermosphere, Ionosphere and Protonosphere (GSM TIP) for simulating environmental changes during the SSW event. We both qualitatively and quantitatively reproduce total electron content disturbances obtained from global ground network receiver observations of GPS navigation satellite signals, by setting an additional electric potential and TIME-GCM model output at a height of 80 km. In order to study the influence of this SSW event on HF radio wave propagation and attenuation, we use the numerical model of radio wave propagation based on geometrical optics approximation. It is shown that a sudden stratospheric warming leads to radio signal attenuation in the day-time equatorial ionosphere.

Keywords:
sudden stratospheric warming, HF radio communication, radio signal attenuation, equatorial ionization anomaly, 3D modeling
Text
Publication text (PDF): Read Download

ВВЕДЕНИЕ

Внезапным стратосферным потеплением (ВСП) называется сильное и внезапное повышение температуры взрывного характера, иногда на 50 K и более, в течение нескольких суток в полярной и субполярной стратосфере зимой. ВСП представляет собой огромное по своим масштабам метеорологическое событие, связанное с глобальными аномалиями, происходящими в диапазоне высот от тропосферы и стратосферы до мезосферы и нижней термосферы. Влияние стратосферных потеплений на распределение метеопараметров в тропосфере и приземном атмосферном слое, а, следовательно, и на погоду, имеет экспериментальное и теоретическое обоснование [Woollings et al., 2010; Кочеткова и др., 2014; Погорельцев и др., 2014]. Имеется ряд наблюдений поведения параметров мезосферы и нижней термосферы во время ВСП, например [Mbatha et al., 2010]. Однако такие наблюдения достаточно редки.

Длительный затянувшийся минимум солнечной (F10.7~70) и геомагнитной (Kp<3) активности в 2007–2009 гг. позволяет тщательно изучить взаимосвязи между процессами в средней и верхней атмосфере, поскольку в этот период изменения солнечной активности и магнитосферных источников оказывают минимальное влияние на изменчивость верхних слоев атмосферы. В январе 2009 г. произошло сильное ВСП, уникальность которого состояла в его большой продолжительности. Для этого события имеются непрерыв-ные измерения мировой сети радаров некогерентного рассеяния в течение одиннадцати дней, а также боль-шой массив данных наблюдений ионозондов. Ионосферные эффекты в Азиатском регионе России во время ВСП зимой 2008–2009 гг. были представлены в работах [Polyakova et al., 2014; Shpynev et al., 2015]. Неоднократно также рассматривался глобальный и среднеширотный отклик ионосферы на это событие [Yue et al., 2010; Pancheva, Mukhtarov, 2011; Bessarab et al., 2012; Fagundes et al., 2015]. Однако наибольшее количество работ было посвящено отклику низкоширотной ионосферы на ВСП 2009 г. [Chau et al., 2010; Goncharenko et al., 2010b] и попытке объяснить причины такого отклика [Goncharenko et al., 2010a; Chau et al., 2011; Fejer et al., 2011; Pedatella et al., 2015; Yiğit et al., 2015]. Чтобы проверить обоснованность и важность каждого из предлагаемых механизмов наблюдаемого утреннего усиления экваториальной аномалии и дневного уменьшения электронной концентрации в экваториальной и низкоширотной области ионосферы во время ВСП 2009 г., многочисленными научными группами и коллективами были проведены теоретические исследования с использованием глобальных моделей средней и верхней атмосферы, которые включают в себя систему термосфера—ионосфера [Fuller-Rowell et al., 2010, 2011; Liu et al., 2010, 2013; Bessarab et al., 2012; Jin et al., 2012]. Во всех этих исследованиях в той или иной степени качественно (но не количественно) был воспроизведен низкоширотный отклик ионосферы на ВСП 2009 г. Различие между теоретическими и экспериментальными данными может объясняться как неоднозначным выбором входных данных моделей, так и упрощенным описанием некоторых физических процессов. Для того чтобы добиться количественного согласия результатов расчетов с данными наблюдений, некоторые исследователи использовали ассимиляцию данных наблюдений на различных стадиях моделирования параметров средней и верхней атмосферы [Wang et al., 2014]. Тем не менее, несмотря на несомненный прогресс в моделировании ионосферных эффектов ВСП, существуют расхождения между результатами моделирования и данными наблюдений отклика низкоширотной ионосферы на ВСП 2009 г. [Klimenko et al., 2015; Peddatela et al., 2016]. Отчасти поэтому до сих пор не было исследований, посвященных опосредованному влиянию ВСП (через изменения параметров ионосферы) на распространение коротких радиоволн. Авторам работы [Klimenko et al., 2015] с помощью введения источника дополнительного электрического поля в экваториальной области удалось качественно и количественно воспроизвести отклик экваториальной аномалии на ВСП 2009 г., что позволило нам в данной работе впервые провести исследование изменения лучевых траекторий и поглощения радиоволн в период ВСП 2009 г. Ниже мы приводим результаты такого исследования.

References

1. Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., Klimenko M.V., Klimenko V.V., Karpov I.V., Ratovsky K.G., Chernigovskaya M.A. Modeling the effect of sudden stratospheric warming within the thermosphere—ionosphere system. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2012, vol. 90–91, pp. 77–85.

2. Bilitza D. International Reference Ionosphere 2000. Radio Sci. 2001, vol. 36, no. 2, pp. 261–275.

3. Bryunelli B.E., Namgaladze A.A. Fizika ionosfery [Physics of the Ionosphere]. Moscow, Nauka Publ., 1988. 528 p. (In Russian).

4. Chau J.L., Aponte N.A., Cabossa E., Sulzer M.P., Goncharenko L.P., González S.A. Quiet time ionospheric variability over Arecibo during sudden stratospheric warming events. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00G06. DOI: 10.1029/ 2010JA015378.

5. Chau J.L., Goncharenko L.P., Fejer B.G., Liu H.L. Equatorial and low latitude ionospheric effects during sudden stratospheric warming events. Space Sci. Rev. 2011. DOI: 10.1007/ s11214-011-9797-5.

6. Fagundes P.R., Goncharenko L.P., de Abreu A.J., Venkatesh K., Pezzopane M., de Jesus R., Gende M., Coster A.J., Pillat V.G. Ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming over the equatorial, low, and middle latitudes in the South American sector. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015, vol. 120, pp. 7889–7902. DOI: 10.1002/2014JA020649.

7. Fejer B.G., Tracy B.D., Olson M.E., Chau J.L. Enhanced lunar semidiurnal equatorial vertical plasma drifts during sudden stratospheric warmings. Geophys. Res. Lett. 2011, vol. 38, L21104. DOI: 10.1029/2011GL049788.

8. Fuller-Rowell T., Wang H., Akmaev R., Wu F., Fang T.W., Iredell M., Richmond A.D. Forecasting the dy-namic and electrodynamic response to the January 2009 sudden stratospheric warming. Geophys. Res. Lett. 2011, vol. 38, L13102. DOI: 10.1029/2011GL047732.

9. Fuller-Rowell T., Wu F., Akmaev R., Fang T.W., Araujo-Pradere E. A whole atmosphere model simulation of the impact of a sudden stratospheric warming on thermosphere dynamics and electrodynamics. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00G08. DOI: 10.1029/2010JA015524.;

10. Goncharenko L.P., Chau J.L., Liu H.-L., Coster A.J. Unexpected connection between the stratosphere and ionosphere. Geophys. Res. Lett. 2010a, vol. 37, L10101. DOI: 10.1029/ 2010GL043125.

11. Goncharenko L.P., Coster A.J., Chau J.L., Vallandares C.E. Impact of sudden stratospheric warming on equatorial ionization anomaly. J. Geophys. Res. 2010b, vol. 115, A00G07. DOI: 10.1029/2010JA015400.

12. Hedin A.E. Extension of the MSIS thermospheric model into the middle and lower atmosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1991, vol. 96, A2, pp. 1159–1172.

13. Jin H., Miyoshi Y., Pancheva D., Mukhtarov P., Fujiwara H., Shinagawa H. Response of migrating tides to the stratospheric sudden warming in 2009 and their effects on the ionosphere studied by a whole atmosphere—ionosphere model GAIA with COSMIC and TIMED/SABER observations. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, A10323. DOI: 10.1029/2012JA017650.

14. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., Liu H., Goncharenko L.P., Tolstikov M.V. Study of the thermospheric and ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming using TIME-GCM and GSM TIP models: First results. J. Geophys. Res. 2015, vol. 120, no. 9, pp. 7873–7888. DOI: 10.1002/2014JA020861.

15. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Korenkov Yu.N., Bessarab F.S., Karpov I.V., Ratovsky K.G., Cherni-govskaya M.A. Modeling of response of the thermosphere—ionosphere system to sudden stratospheric warmings of years 2008 and 2009. Cosmic Res. 2013, vol. 51, no. 1, pp. 62–72. DOI: 10.1134/ S001095251301005X.

16. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., Rozanov E.V., Reddmann T., Zakharenkova I.E., Tolstikov M.V. Application of the models of the middle and upper atmosphere to simulation of total electron content perturba-tions caused by the 2009 stratospheric warming. Rus. J. Phys. Chem. B. 2016, vol. 10, no. 1, pp. 109–116.

17. Kochetkova O.S., Mordvinov V.I., Rudneva M.A. Analysis of the factors affecting the occurrence of strato-spheric warming. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2014, vol. 27, no. 08, pp. 719–727. (In Russian).

18. Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Klimenko M.V., Bessarab F.S., Korenkova N.A., Ratovsky K.G., Cherni-govskaya M.A., Shcherbakov A.A., Sahai Y., Fagundes P.R., de Jesus R., de Abreu A.J., Condor P. The global thermospheric and ionospheric response to the 2008 minor sudden stratospheric warming event. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, A10309. DOI: 10.1029/2012JA018018.

19. Kotova D.S., Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharov V.E. Numerical simulation of the influence of the May 2–3, 2010 geomagnetic storm on HF radio-wave propagation in the ionosphere. Izvestya VUZov. Radiofizika. [Radiophys. Quant. Electr.]. 2014, vol. 57, no. 7, pp. 519–530. (In Russian).

20. Kotova D.S., Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharov V.E., Ratovsky K.G., Nosikov I.A., Zhao B. Using IRI and GSM TIP model results as environment for HF radio wave propagation model during the geomagnetic storm occurred on September 26–29, 2011. Adv. Space Res. 2015, vol. 56, no. 9, pp. 2012–2029. DOI: 10.1016/j.asr.2015.05.009.

21. Kotova D.S., Zakharov V.E., Klimenko M.V., Klimenko V.V. Development of the model of HF radiowave propagation in the ionosphere. Khimicheskaya fizika [Russ. J. Phys. Chem.]. 2015, vol. 34, no. 12, pp. 62–71. (In Russian).

22. Liu H.-L., Wang W., Richmond A.D., Roble R.G. Ionospheric variability due to planetary waves and tides for solar minimum conditions, J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00G07. DOI: 10.1029/2009JA015188.

23. Liu H., Jin H., Miyoshi Y., Fujiwara H., Shinagawa H. Upper atmosphere response to stratosphere sudden warming: Local time and height dependence simulated by GAIA model, Geophys. Res. Lett. 2013, vol. 40, pp. 635–640. DOI:10.1002/ grl.50146.

24. Mbatha N., Sivakumar V., Malinga S.B. et al. Study on the impact of sudden stratosphere warming in the upper mesosphere-lower thermosphere regions using satellite and HF radar measurements. Atmos. Chem. Phys. 2010, vol. 10, pp. 3397–3404.

25. Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushchenko T.A., Naumova N.M. Global Numerical Model of the Earth’s thermosphere, ionosphere and protonosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1990, vol. 30, no. 4, pp. 612–619. (In Russian).

26. Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere–ionosphere coupling paradigm. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, no. 13., pp. 1697–1702. DOI: 10.1016/j.jastp.2011.03.006.

27. Pedatella N.M., Fang T.-W., Jin H., Sassi F., Schmidt H., Chau J.L., Siddiqui T.A., Goncharenko L. Multi-model comparison of the ionosphere variability during the 2009 sudden stratosphere warming. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016, vol. 121, pp. 7204–7225. DOI: 10.1002/2016JA022859.

28. Pedatella N.M., Maute A. Impact of the semidiurnal lunar tide on the midlatitude thermospheric wind and ionosphere during sudden stratosphere warmings. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015, vol. 120, pp. 10,740–10,753. DOI: 10.1002/ 2015JA021986.

29. Pogoreltsev A.I., Savenkova E.N., Pertsev N.N. Sudden stratospheric warming: the role of normal atmospheric modes. Geomag. Aeron. 2014, vol. 54, no. 3, pp. 357–372.

30. Polyakova A.S., Chernigovskaya M.A., Perevalova N.P. Ionospheric effects of sudden stratospheric warmings in eastern Siberia region. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014, vol. 120, pp. 15–23. DOI: 10.1016/j.jastp.2014.08.011.

31. Shpynev B.G., Kurkin V.I., Ratovsky K.G., Chernigov-skaya M.A., Belinskaya A.Yu., Grigorieva S.A., Ste-panov A.E., Bychkov V.V., Pancheva D., Mukhtarov P. High-midlatitude ionosphere response to major stratospheric warming. EPS. 2015, vol. 67, no. 18. DOI: 10.1186/s40623-015-0187-1.

32. Wang H., Akmaev R.A., Fang T.-W., Fuller-Rowell T.J., Wu F., Maruyama N., Iredell M.D. First forecast of a sudden stratospheric warming with a coupled whole-atmosphere/ ionosphere model IDEA. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014, vol. 119, pp. 2079–2089. DOI: 10.1002/2013JA019481.

33. Woollings T., Charlton-Perez A., Ineson S., Marshall A.G., Masato G. Associations between stratospheric variability and tropospheric blocking. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, D6. DOI: 10.1029/2009JD012742.

34. Yiğit E., Medvedev A.S. Internal wave coupling processes in Earth’s atmosphere. Adv. Space Res. 2015, vol. 55, no. 5, pp. 983–1003. DOI: 0.1016/j.asr.2014.11.020.

35. Yue X., Schreiner W.S., Lei J., Rocken C., Hunt D.C., Kuo Y.-H., Wan W. Global ionospheric response ob-served by COSMIC satellites during the January 2009 stratospheric sudden warming event. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00G09. DOI: 10.1029/2010JA015466.