Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
In this work, we study ionospheric disturbances excited by the passage of the solar terminator (ST) during tropical cyclone periods, using total electron content (TEC) data. We have considered 16 intense tropical cyclones (typhoons) that acted in the northwest of the Pacific Ocean near the territory of Japan. We analyze two-dimensional distributions of the number of registered wave packets (WPs) depending on various parameters: local time, maximum amplitude of packets, and distance to typhoon. It is shown that in most cases the maximum num-ber of WPs is observed at a distance less than 500–1500 km from the typhoon center and near the time of evening solar terminator passage. For typhoons occurring during autumn periods, the maximum number of WPs is recorded at daytime, and, apparently, is not associated with ST. Distributions of the number of WPs depending on their amplitude have a similar form for all the cases considered, with a maximum of about 0.2 TECU. At the same time, for some typhoons there are a large number of WPs with amplitude up to 0.6–0.8 TECU, which is significantly higher than WP amplitudes under quiet conditions. We briefly discuss the mechanism of possible interaction between ionospheric disturbances caused by two different sources (tropical cyclones and ST passage).
wave packets, TEC, typhoon, solar terminator, ionospheric disturbances, GNSS
ВВЕДЕНИЕ
Ионосфера представляет собой сложную динамическую систему, поведение которой связано не только с изменениями гелио- и геомагнитных факторов, но и с состоянием нейтральной атмосферы. В связи с этим исследование взаимосвязанных процессов, протекающих в нижней и верхней атмосфере Земли, является одной из приоритетных геофизических и метеорологических задач. Установлено, что в спокойных геомагнитных условиях изменчивость электронной концентрации ионосферы, связанная с влиянием метеорологических факторов, может достигать 35 % от фонового уровня ионизации [Forbes et al., 2000].
Основным механизмом передачи энергии возмущения от тропосферы на ионосферные высоты являются внутренние атмосферные волны различных масштабов: приливы, планетарные волны, внутренние гравитационные волны (ВГВ) [Lastovicka, 2006]. При определенных условиях ВГВ могут достигать высот ионосферы, вызывая возмущения электронной концентрации, которые регистрируются как перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) [Kazimirovsky, 2002]. Среди источников ВГВ в нижней нейтральной атмосфере в литературе отмечались струйные течения, цунами, метеорологические штормы, тропические циклоны и т. д.
Тропические циклоны (ТЦ) являются мощными вихревыми структурами в тропосфере, эволюция которых сопровождается генерацией ВГВ различных масштабов. В ряде экспериментальных и теоретических работ показано, что над зонами действия ТЦ в мезосфере и нижней термосфере могут наблюдаться ВГВ с периодами от 2 мин до 6 ч и пространственными масштабами от 15 до 1000 км. [Chane-Ming et al., 2002; Pfister et al., 1993; Kim et al., 2005; Kuester et al., 2008]. Волновые возмущения с периодами от 2 до 90 мин над областями существования ТЦ регистрировались также в электронной концентрации ионосферы различными радиофизическими методами [Xiao et al., 2007; Bertin et al., 1975; Huang et al., 1985; Bishop et al., 2006; Polyakova, Perevalova 2011, 2013]. Выявлен ряд особенностей этих возмущений: их интенсивность макси-мальна в периоды обтекания береговой линии воздушными массами циклона, а также в моменты быстрых изменений скорости ветра в ТЦ [Xiao et al., 2007; Zakharov, Kunitsyn, 2012]. Bertin et al. [1975] показали, что ПИВ распространялись преимущественно против направления фонового ветра на высоте ионосферы, что свидетельствует в пользу их связи с ВГВ [Medvedev et al., 2017].
Отметим, что мощные ТЦ, для которых скорость ветра V>74 узлов (1 узел=1 морская миля/ч, или 0.5144 м/с), наблюдаемые в северо-западной акватории Тихого океана, принято также называть тайфунами.
В отличие от ТЦ движение солнечного терминатора (СТ) является регулярным источником волновых возмущений в атмосфере и ионосфере. Ранние работы по исследованию состояния ионосферы в области прохождения СТ [Hines, 1960; Francis, 1974] показали, что движение СТ вызывает генерацию волн, а также возникновение неустойчивостей и флуктуаций в ионосферной плазме. Это послужило поводом для про-ведения целого ряда исследований ионосферных параметров во время прохождения СТ [Mishin et al., 1991; Somsikov, Ganguly, 1995; Galushko et al., 1998].
Использование технологии радиозондирования ионосферы сигналами глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) позволило авторам работ [Afraimovich et al., 2003; Afraimovich et al., 2009a, 2009b] обнаружить, что движение СТ сопровождается генерацией в ионосфере среднемасштабных возмущений особого типа — волновых пакетов (ВП), проявляющихся в форме узкополосных колебаний полного электронного содержания (ПЭС). Предложена и теоретически обоснована модель генерации магнитогидродинамических (МГД) возмущений плазмы в системе ионосфера—плазмосфера, позволяющая объяснить наблюдаемые колебания ПЭС. В рамках этой модели предполагается, что движение СТ приводит к генерации токов в проводящем слое ионосферы, являющихся источником волн медленного магнитного звука (ММЗ). Был предложен также механизм переноса генерируемых СТ возмущений вдоль магнитных силовых линий в другое полушарие [Leonovich et al., 2010]. Дальнейшие исследования показали [Edemskiy, Yasyukevich, 2011], что возмущения ПЭС, связанные с прохождением СТ, могут иметь более сложную структуру, являясь, по-видимому, суперпозицией колебаний ионосферной плазмы, вызванных прохождением не только МГД-волн, но и гравитационных.
Поскольку ТЦ и движение СТ являются источниками генерации атмосферных волн разного типа, но схожих временных масштабов, предполагается, что при одновременном существовании данных явлений в ионосфере может возникать взаимодействие возмущений, вызываемых этими источниками. Так, в работе [Belyaev et al., 2015] на основе спутниковых измерений электронной концентрации показано, что состояние ионосферы вблизи СТ модифицируется в периоды прохождения мощных ТЦ над поверхностью суши. Однако результаты этой работы получены на основе анализа ограниченного количества данных, что не позволяет достоверно выявить наличие возможного взаимодействия.
В работе [Полякова, Ясюкевич, 2016] были представлены пространственные карты вариаций ПЭС во время прохождения тайфуна HALONG, наглядно показывающие увеличение амплитуды волновых возму-щений, вызванных движением СТ, относительно метеоспокойных дней. Подобный результат получен в работе [Chou et al., 2017a] для тайфуна NEPATRAK. В этой статье отчетливо наблюдаются МГД-волны, вы-званные, по нашему мнению, прохождением СТ (имеют характерные наклон волнового фронта и время по-явления), и концентрические ВГВ, связанные с действием циклона. Авторы сделали вывод о взаимодействии этих волновых возмущений и предложили его возможный механизм. На наш взгляд, они неверно идентифицировали волны, генерируемые прохождением СТ, поэтому предложенный ими механизм не подходит для данного случая.
Таким образом, вопрос о возможном воздействии ТЦ на интенсивность и структуру ПИВ, генерируемых движением СТ, требует более тщательного анализа с привлечением большой статистики наблюдений. В настоящей работе с применением данных ГНСС-зондирования ионосферы проведен анализ ВП, наблюдаемых во время прохождения СТ, в периоды действия 16 тропических циклонов разной интенсивности.
1. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Leonovich A.S., Leonovich L.A., Voeykov S.V., Yasyukevich Y.V. MHD nature of night-time MSTIDs excited by the solar terminator. Geophys. Res. Let. 2009a, vol. 36, L15106. DOI:https://doi.org/10.1029/2009GL039803.
2. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Voeykov S.V., Yasyukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Spatio-temporal structure of the wave packets generated by the solar terminator. Adv. Space Res. 2009b, vol. 44, pp. 824-835. DOI: 10.1016/ j.asr.2009.05.017.
3. Afraimovich E.L., Perevalova N.P., Voyeikov S.V. Traveling wave packets of total electron content disturbances as deduced from global GPS network data. J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2003. vol. 65, iss. 11-13, pp. 1245-1262. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2003.08.007.
4. Belyaev G., Boychev B., Kostin V., Trushkina E., Ovcharenko O. Modification of the ionosphere near the terminator due to the passage of a strong tropical cyclone through the large Island. Sun and Geosphere. 2015, vol. 10, pp. 31-38.
5. Bertin F., Testud J., Kersley L. Medium scale gravity waves in the ionospheric F-region and their possible origin in weather disturbances. Planet. Space Sci. 1975, vol. 23, pp. 493-507. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(75)90120-8.
6. Bishop R.L., Aponte N., Earle G.D., Sulzer M., Larsen M.F., Peng G.S. Arecibo observations of ionospheric perturbations associated with the passage of Tropical Storm Odette. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, pp. A11320. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011668.
7. Chane-Ming F., Roff G., Robert L., Leveau J. Gravity wave characteristics over Tromelin Island during the passage of cyclone Hudah. Geophys. Res. Let. 2002, vol. 29, no. 6. CiteID 1094. DOI:https://doi.org/10.1029/2001GL013286.
8. Chou M.Y., Lin C. H., Yue J., Chang L. C., Tsai H.F., Chen C.H. Medium-scale traveling ionospheric disturbances triggered by Super Typhoon Nepartak (2016). Geophys. Res. Let. 2017a, vol. 44, pp. 7569-7577. DOI:https://doi.org/10.1002/2017GL073961.
9. Chou M.Y., Lin C.C.H., Yue J., Tsai H.F., Sun Y.Y., Liu J.Y., Chen C.H. Concentric traveling ionosphere disturbances triggered by Super Typhoon Meranti (2016). Geophys. Res. Let. 2017b, vol. 44, pp. 1219-1226. DOI: 10.1002/ 2016GL072205.
10. Edemskiy I.K., Voyeykov S.V., Yasyukevich Yu.V. Seasonal and latitudinal variations of parameters of wavelike MHD-based disturbances generated by solar terminator. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space]. 2011, vol. 8, no. 4, pp. 107-116. (In Russian).
11. Edemskiy I.K., Yasyukevich Y.V. Duration of wave disturbances generated by solar terminator in magneto-conjugate areas. Proc. XXXth URSI General Assembly and Scientific Symposium. Istanbul, 2011, pp. 1-4. DOI:https://doi.org/10.1109/URSIGASS.2011.6051003.
12. Forbes J.M., Palo S.E., Zhang X. Variability of the ionosphere. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000, vol. 62, pp. 685-693. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00029-8.
13. Francis S. H. A theory of medium-scale traveling ionospheric disturbances. J. Geophys. Res. 1974, vol. 79, no. 34. pp. 5245-5260. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079i034p05245.
14. Galushko V.G., Paznukhov V.V., Yampolski Y.M., Foster J.C. Incoherent scatter radar observations of AGW/TID events generated by the moving solar terminator. Ann. Geophys. 1998, vol. 16, pp. 821-827. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-998-0821-3.
15. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at ionospheric heights. Canadian J. Phys. 1960, vol. 38, no. 11, pp. 1441-1481. DOI:https://doi.org/10.1139/p60-150.
16. Huang Y.N., Cheng K., Chen S.W. On the detection of acoustic gravity waves generated by typhoon by use of real time HF Doppler frequency shift sounding system. Radio Sci. 1985, vol. 20, pp. 897-906. DOI:https://doi.org/10.1029/RS020i004p00897.
17. Kazimirovsky E.S. Coupling from below as a source of ionospheric variability: a review. Ann. Geophys. 2002, vol. 45, no. 1, pp. 1-29.
18. Kim S.-Y., Chun H.-Y., Baik J.-J. A numerical study of gravity waves induced by convection associated with Typhoon Rusa. Geophys. Res. Let. 2005, vol. 32, pp. L24816. DOI:https://doi.org/10.1029/2005GL024662.
19. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users. IEEE Trans. Aerospace and Electronics System. 1986, vol. 23, no. 3, pp. 325-331.
20. Kuester M.A., Alexander M.J., Ray E.A. A Model Study of Gravity Waves over Hurricane Humberto (2001). J. Atmosph. Sci. 2008. vol. 65, no. 10, pp. 3231-3246. DOI:https://doi.org/10.1175/2008JAS2372.1.
21. Lastovicka J. Forcing of the ionosphere by waves from below. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. vol. 68. pp. 479-497. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2005.01.018.
22. Leonovich A.S., Kozlov D.A., Edemskiy I.K. Standing slow magnetosonic waves in a dipole-like plasmasphere. Planetary and Space Sci. 2010, vol. 58, no. 11, pp. 1425-1433. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2010.06.007.
23. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Oinats A.V., Alsatkin S.S., Zherebtsov G.A. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 7567-7580. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024103.
24. Mishin E.V., Epishova A.E., Ishkova L.M., Kovalevskaya E.M., Kozlov E.F., Kolokolov L.E., Rubtsov L.N., Samorokin N.I., Sidorova L.N., Somsikov V.M., Telegin V.A., Yudovich L.A. Disturbances of F-region electron density following solar terminator during the WITS period of 16-20 March 1988. J. Atmosph. Terr. Phys. 1991, vol. 53, iss. 6-7, pp. 643-648. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(91)90091-K.
25. Pfister L., Chan K.R., Bui T.P., Bowen S., Legg M., Gary B., Kelly K., Proffitt M., Starr W. Gravity waves generated by a tropical cyclone during the STEP tropical field program: A case study. J. Geophys. Res. 1993, vol. 98, no. D5, pp. 8611-8638. DOI:https://doi.org/10.1029/92JD01679.
26. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Investigation into impact of tropical cyclones on the ionosphere using GPS sounding and NCEP/NCAR Reanalysis data. Adv. Space Res. 2011, vol. 48, pp. 1196-1210. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.06.014.
27. Polyakova A.S., Perevalova N.P. Comparative Analysis of TEC Disturbances over Tropical Cyclone Zones in the North-West Pacific Ocean. Adv. Space Res. 2013, vol. 52, pp. 1416-1426. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.06.014.
28. Polyakova A.S., Yasyukevich Yu.V. Change in the intensity of ionospheric response to solar terminator passage during tropical cyclones. Proc. XXV National Conference “Radiowaves propagation” dedicated to 80 Anniversary of Domestic Investi-gations of Ionosphere. 2016, Tomsk, 3-9 July. 2016, vol. 1, pp. 113-166. (In Russian).
29. Somsikov V.M., Ganguly B. On the formation of atmospheric! inhomogeneities in the solar terminator region. J. Atmos. Terr. Phys. 1995, vol. 57, iss. 12, pp. 1513-1523. DOI: 10.1016/ 0021-9169(95)00014-S.
30. Xiao Z., Xiao S., Hao Y., Zhang D. Morphological features of ionospheric response to typhoon. J. Geophys. Res. 2007, vol. 112, pp. A04304. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011671.
31. Zakharov V.I., Kunitsyn V.E. Regional features of atmospheric manifestations of tropical cyclones according to ground-based GPS network data. Geomagnetism and Aeronomy. 2012, vol. 52, no. 4, pp. 533-545. DOI: 10.1134/ S0016793212040160.
32. Yasyukevich Yu.V., Perevalova N.P., Edemskiy I.K., Polyakova A.S. Otklik ionosfery na gelio- i geofizicheskie vozmush-chayushchie factory po dannym GPS [Ionosphere response to helio- and geophysical disturbing factors from GPS data]. Irkutks, Irkutsk State University Publ., 2013, 271 p. (In Russian).
33. Yasyukevich A.S., Padokhin A.M., Mylnikova A.A., Yasyukevich Yu.V., Voyeikov S.V., Tereshin N.A. Changes in the intensity of TEC variations with different time scales during tropical cyclones. Uchenye zapiski fizicheskogo fakul’teta MGU [Memoirs of the Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University], 2018, no. 1. (In Russian).
34. URL: http://rammb.cira.colostate.edu (accessed 11 November 2017).
35. URL: http://terras.gsi.go.jp (accessed 1 June 2017).
