Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
The response of the ionosphere to sudden stratospheric warmings (SSWs) in the Asian region of Russia is studied. Two SSW events observed in 2008–2009 and 2012–2013 winter periods of extreme solar minimum and moderate solar maximum are considered. To detect the ionospheric effects caused by SSWs, we carried out a joint analysis of global ionospheric maps (GIM) of the total electron content (TEC), MLS (Microwave Limb Sounder, EOS Aura) measurements of temperature vertical profiles, as well as NCEP/NCAR and UKMO Reanalysis data. For the first time, it was found that during strong SSWs, in the mid-latitude ionosphere the amplitude of diurnal TEC variation decreases nearly half compared to quiet days. At the same time, the intensity of TEC deviations from the background level increases. It was also found that at SSW peak the midday TEC maximum decreases, and night/morning TEC values increase compared to quiet days. It was shown that during SSWs, TEC dynamics was identical for different geophysical conditions.
ionospheric disturbances, GPS measurements of TEC, sudden stratospheric warming
ВВЕДЕНИЕ
Внезапными стратосферными потеплениями (ВСП) называют сильные непредсказуемые повышения температуры в полярной и субполярной стратосфере зимой, иногда на 50° и более, продолжающиеся в течение нескольких суток или недель. По классификации стратосферные потепления подразделяют на незначительные, или слабые, типа «minor» (наблюдаются каждую зиму) и значительные, или сильные, типа «major» [Labitzke, 1981]. Сильные потепления наблюдаются реже, как правило, захватывают стратосферу и мезосферу и носят глобальный характер. При этом меняется знак меридионального градиента температуры над полушарием, а также происходит смена направления зональной стратосферной циркуляции на высоте 10 гПа с западного на восточное — происходит разрушение и/или смещение зимнего циркумполярного вихря, и формируется стратосферный полярный антициклон [Charlton, Polvani, 2007]. Возвращение стратосферы к нормальному режиму (так называемая стадия восстановления) происходит медленнее, чем развитие потепления. Общепринятым в развитии ВСП является механизм, впервые предложенный в работе [Matsuno, 1971], согласно которому развитие ВСП происходит вследствие интенсификации и проникновения из тропосферы в стратосферу планетарных волн (ПВ) и их нелинейного взаимодействия с западным стратосферным потоком. Результатом такого взаимодействия является диссипация волн, а также замедление и разрушение полярного вихря, после чего в стратосфере высвобождается большое количество кинетической энергии. Развитие стратосферного антициклона приводит к формированию нисходящего вертикального переноса в стратосфере, а опускание воздушных масс — к адиабатическому нагреву воздуха. Наблюдения показывают, что ВСП начинаются на больших высотах, а затем спускаются в нижнюю стратосферу и тропосферу [Schoeberl, 1978]. В мезосфере, напротив, наблюдается остывание воздуха над зоной потепления в стратосфере [Labitzke, 1972].
Влияние ВСП на состояние ионосферной плазмы исследуется довольно давно. Так, считается, что явление «зимней аномалии» поглощения радиоволн в D-области ионосферы тесно связано с процессами переноса в периоды ВСП. В указанные периоды в D-слое резко возрастает электронная концентрация и, следовательно, поглощение [Kazimirovsky, 2002].
Отрицательные отклонения fоF2 порядка 0.7–0.8 МГц, а также высоты главного максимума ионизации в ионосфере экваториальных и средних широт в период ВСП 2007/2008 и 2008/2009 гг. зарегистрированы в работе [Pancheva, Mukhtarov, 2011]. Анализ профилей электронной плотности, полученных по измерениям спутника COSMIC во время ВСП 2009 г., выявил увеличение максимальной частоты fmF2 и высоты максимума hmF2 F-слоя ионосферы, а также полного электронного содержания (ПЭС) в утренние часы и уменьшение указанных параметров в вечерние часы относительно значений, регистрируемых в спокойные дни [Yueetal., 2010]. На высоких широтах, напротив, наблюдалось уменьшение hmF2 и увеличение fmF2 и ПЭС в течение всех суток. Указанные явления авторы связывают с изменением вертикального дрейфа плазмы, индуцированным возмущенной системой ветров нижней термосферы. Моделирование, выполненное в работе [Bessarabetal., 2012], показало, что отклонения электронной плотности в F2-области ионосферы во время ВСП могут быть вызваны также возмущениями в форме стационарных ПВ на нижней границе термосферы.
Большое количество эффектов ВСП в экваториальной ионосфере выявлено в работе [Sumodetal., 2012]. Среди основных особенностей в поведении ионосферы в период ВСП зимой 2007/2008 гг. авторами отмечены уменьшение значений fоF2 в утренние и вечерние часы и увеличение в послеполуденные, смещение суточного максимума ПЭС в сторону более ранних часов местного времени, необычное уменьшение интенсивности дневного свечения атмосферы в длине волны 630 нм. В работах [Goncharenkoetal., 2010a, b] зарегистрированы крупномасштабные колебания ПЭС с полусуточным периодом, наблюдавшиеся в экваториальной ионосфере в течение нескольких дней после потепления. Авторы работы [Pedatella, Forbes, 2010] на основе анализа данных GPS выявили значительное усиление интенсивности полусуточных приливов в экваториальных широтах ионосферы во время ВСП. Эффекты ВСП в низкоширотной ионосфере связаны с изменениями электрических полей в экваториальной электроструе [Chau et al., 2009, 2010, 2012; Fejer et al., 2010]. Они также являются проявлением взаимодействия распространяющихся из низлежащих атмосферных слоев ПВ с термосферными приливами [Pedatella, Forbes, 2010].
Результаты исследования динамики ионосферы во время мощного ВСП 2009 г. на сети сибирских ионозондов представлены в работе [Шпынев и др., 2013]. Авторами показано, что интенсивность и знак ионосферного отклика на ВСП зависит от местоположения пункта наблюдения относительно зон с различными типами стратосферной циркуляции. Максимальные вариации параметров F2-слоя наблюдаются вблизи тех границ между циклоном и антициклоном, где циркуляция направлена к северу. Так, наибольшее повышение высоты максимума слоя было зафиксировано над Якутском и составило около 50 км, в то время как в пунктах, находящихся внутри циклонической циркуляции (Новосибирск, Иркутск), напротив, регистрировалось опускание высоты F2.
В данной работе нами проведено исследование возможного отклика ПЭС на события ВСП в среднеширотной ионосфере в областях, располагающихся непосредственно над очагами потеплений в стратосфере (под очагом ВСП здесь и далее понимается область наибольшего повышения температуры).
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Впервые статья опубликована на английском языке в «Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics». 2014. V. 120. Р. 15–23. DOI: 10.1016/j.jastp.2014.08.011. На русском языке публикуется впервые в сокращенном варианте по лицензии издательства.
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. and Solar-Terr. Phys. 2012, vol. 90-91, pp. 77-85. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp. 2012.09.005.
2. Charlton A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric sudden warmings. Part I: Climatology and modeling benchmarks. J. Climate. 2007, vol. 20, pp. 449-469. DOI:https://doi.org/10.1175/JCLI3996.1.
3. Chau J.L., Fejer B.G., Goncharenko L.P. Quiet variability of equatorial E×B drifts during a sudden stratospheric warming event. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, L05101. DOI: 10.1029/ 2008GL036785.
4. Chau J.L., Aponte N.A., Cabassa E., Sulzer M.P., Goncharenko L.P., Gonzalez S.A. Quiet time ionospheric variability over Arecibo during sudden stratospheric warming events. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010, vol. 115, iss. A9, A00G06. DOI:https://doi.org/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. 2012, vol. 168, pp. 385-417. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-011-9797-5.
6. Fejer B.G., Olson M.E., Chau J.L., Stolle C., Lühr H., Goncharenko L.P., Yumoto K., Nagatsuma T. Lunar-dependent equatorial ionospheric electrodynamic effects during sudden stratospheric warmings. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00G03. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015273.
7. Goncharenko L.P., Chau J.L., Liu H.L., Coster A.J. Unexpected connections between the stratosphere and ionosphere. Geophys. Res. Lett. 2010a, vol. 37, L10101. DOI: 10.1029/ 2010GL043125.
8. Goncharenko L.P., Coster A.J., Chau J.L., Valladares C.E. Impact of sudden stratospheric warmings on equatorial ionization anomaly. J. Geophys. Res. 2010b, vol. 115, iss. A10, A00G07. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015400.
9. Goncharenko L.P., Chau J.L., Condor P., Coster A., Benkevitch L. Ionospheric effects of sudden stratospheric warming during moderate-to-high solar activity: Case study of January 2013. Geophys. Res. Lett. 2013, vol. 40, pp. 1-5. DOI:https://doi.org/10.1002/grl.50980.
10. Harada Y., Goto A., Hasegawa H., Fujikawa N. A major stratospheric sudden warming event in January 2009. J. Atmos. Sci. 2010, vol. 67, pp. 2056-2069. DOI: 10.1175/ 2009JAS3320.1.
11. Kazimirovsky E.S. Coupling from below as a source of ionospheric variability: A review. Ann. Geophys. 2002, vol. 45(1), pp. 1-29. DOIhttps://doi.org/10.4401/ag-3482.
12. Korenkov Y.N., Klimenko V.V., Klimenko M.V., Bessarab F.S., Korenkova N.A., Ratovsky K.G., Chernigovskaya 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:https://doi.org/10.1029/2012JA018018.
13. Labitzke K. Temperature changes in the mesosphere and stratosphere connected with circulation changes in winter. J. Atmos. Sci. 1972, vol. 29, pp. 756-766. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1972)029<;0756:TCITMA>2.0.CO;2.
14. Labitzke K. Stratospheric-mesospheric midwinter disturbances: A summary of observed characteristics. J. Geophys. Res. 1981, vol. 86, no. C10, pp. 9665-9678. DOI: 10.1029/ JC086iC10p09665.
15. Labitzke K., Kunze M. On the remarkable Arctic winter 2008/2009. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, D00I02. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JD012273
16. Mannucci A.J., Wilson B.D., Yuan D.N., Ho C.H., Lindqwister U.J., Runge T.F. A global mapping technique for GPS-derived ionospheric total electron content measurements. Radio Sci. 1998, vol. 33, no. 3, pp. 565-582. DOI: 10.1029/ 97RS02707.
17. Matsuno T. A dynamical model of the stratospheric sudden warming. J. Atmos. Sci. 1971, vol. 28, pp. 1479-1494. DOI:https://doi.org/10.1175/1520-0469(1971)028<;1479:ADMOTS>2.0.CO;2.
18. Mukasheva S., Zhumabayev B., Nurgaliyeva K., Toyshiev N. Variations of the total electron content of the ionosphere over Kazakhstan region depending on solar activity. Geophys. Res. Abstr. 2014, vol. 16, EGU2014-4318.
19. Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere-ionosphere coupling paradigm. J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, pp. 1697-1702. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp. 2011.03.006.
20. Pedatella N.M., Forbes J.M. Evidence for stratosphere sudden warming-ionosphere coupling due to vertically propagating tides. Geophys. Res. Lett. 2010, vol. 37, L11104. DOI:https://doi.org/10.1029/2010GL043560.
21. Perevalova N.P., Polyakova A.S., Zalizovski A.V. Diurnal variations of the total electron content under quiet helio-geomagnetic conditions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010, vol. 72, pp. 997-1007. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.05.014.
22. Schoeberl M.R. Stratospheric warmings: observations and theory. Rev. Geophys. Space Phys. 1978, vol.16, no. 4, pp. 251-538. DOI:https://doi.org/10.1029/RG016i004p00521.
23. Shpynev B.G., Pancheva D., Muchtarov P., Kurkin V.I., Ratovsky K.G., Chernigovskaya M.A., Belinskaya А.Yu., Stepanov А.Е. Ionosphere response over Eastern Siberia during the 2009 Sudden Stratospheric Warming derived from data of ground based and satellite radio sounding. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Modern Issues of Remote Sensing of the Earth from Space]. 2013, vol. 10, no. 1, pp. 15-163 (in Russian).
24. Sumod S.G., Pant T.K., Jose L., Hossain M.M., Kumar K.K. Signatures of sudden stratospheric warming on the equatorial ionosphere-thermosphere system. Planet. Space Sci. 2012, vol. 63-64, pp. 49-55. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2011.08.005.
25. Yue X., Schreiner W.S., Lei J., Rocken C., Hunt D.C., Kuo Y.-H., Wan W. Global ionospheric response observed by COSMIC satellites during the January 2009 stratospheric sudden warming event. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00G09. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015466.
26. URL: http://www.esrl.noaa.gov/psd (accessed February 1, 2015).
27. URL: http://badc.nerc.ac.uk/browse/badc/ukmo-assim/ (accessed February 1, 2015).
28. URL: http://www.ngdc.noaa.gov/stp/GEOMAG/kp_ ap.html (accessed February 1, 2015).
29. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ (accessed February 1, 2015).
30. URL: ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps/products/ionex/ (accessed February 1, 2015).
