Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 71170 10.12737/szf-102202407 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Influence of ionospheric resonators on daily dynamics of the first Schumann resonance spectral parameters according to data from a meridional chain of ULF magnetometers Влияние ионосферных резонаторов на суточную динамику спектральных параметров первого шумановского резонанса по данным меридиональной сети УНЧ-магнитометров https://orcid.org/0000-0002-9117-7498 Ермакова Елена Николаевна Ermakova Elena Nikolaevna l.ermakova@nirfi.unn.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-8460-1203 Рябов Александр Владимирович Ryabov Alexsandr Vladimirovich alexr@nirfi.unn.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Научно-исследовательский радиофизический институт Нижегородского университета Н. Новгород Россия Institute of Radiophysics of Nizhny Novgorod University Nizhny Novgorod Russian Federation Научно-исследовательский радиофизический институт Нижегородского университета Н. Новгород Россия Institute of Radiophysics of Nizhny Novgorod University Nizhny Novgorod Russian Federation 25 06 2024 25 06 2024 10 2 67 78 12 10 2023 01 03 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/71170/view

Экспериментально исследовано влияние локальной ионосферы, а именно ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР) и нижнего ионосферного резонатора на высотах 80–300 км (суб-ИАР), на амплитуду и поляризацию первой моды шумановского резонанса. Исследования были выполнены на основе спектрального анализа данных одновременного мониторинга компонент магнитного УНЧ-шума на меридиональной цепи станций, включающей высокоширотные станции «Баренцбург» и «Ловозеро», среднеширотную обсерваторию «Новая Жизнь» НИРФИ ННГУ (Нижегородская область) и низкоширотную станцию в Израиле. Наряду с этими данными были задействованы данные мониторинга в обсерватории «Борок» и на о. Крит. Обнаружено, что в темное время суток наблюдались значительные вариации в спектре поляризационного параметра ε на частоте первого шумановского резонанса (ШР). Эти вариации имели разный характер в разных обсерваториях. Анализ суточной динамики параметра ε показал, что изменения ε связаны с влиянием локальных суб-ИАР, имеющих разную оптическую толщину и добротность в местах расположения этих обсерваторий. Обнаружено, что влияние суб-ИАР на поляризацию в полосе ШР зависит от соотношения граничной частоты fгр, разделяющей отрицательную и положительную поляризации магнитного УНЧ-шума, и частоты первого ШР. Влияние ИАР на поляризацию и амплитуду УНЧ-колебаний магнитных полей в частотной полосе первого шумановского резонанса было обнаружено только на ст. «Новая Жизнь» и «Ловозеро»: высокодобротный альфвеновский резонатор в ионосфере мог приводить к изменению ширины частотной полосы первого ШР и к смещению его центральной частоты. Анализ УНЧ-данных обсерваторий, разнесенных на расстояния 400 км, показал, что локальный характер влияния ионосферных резонаторов может приводить к разнице в амплитудных характеристиках первого ШР даже на таких расстояниях. Показано также, что влияние ИАР и суб-ИАР на азимутальный угол вектора магнитного поля в частотной полосе первого ШР менее заметно и может приводить к вариациям этого параметра на 10°–20°. Численные расчеты, выполненные для модели сферического волновода, позволили адекватно интерпретировать особенности суточной динамики параметра ε в полосе первого ШР.

We have experimentally studied the influence of the local ionosphere, namely the ionospheric Alfvén resonator (IAR) and the lower ionospheric resonator at altitudes 80–300 km (sub-IAR) on the amplitude and polarization of the first Schumann resonance. The study is based on spectral analysis of data from simultaneous monitoring of ULF magnetic noise components at a meridional chain of stations: high-latitude stations Barentsburg and Lovozero, mid-latitude observatory NNGU NIRFI (NL, Nizhny Novgorod Region), a low-latitude station in Israel. We have also used monitoring data from the Borok and Crete observatories. At the stations in dark conditions, significant variations were found in the spectrum of the polarization parameter ε at the frequency of the first Schumann resonance (SR). Moreover, these variations had different character at different observatories. Analysis of the daily dynamics of the parameter ε has shown that these variations are associated with the influence of local sub-IAR having different optical thickness and quality factor at these observatories. The influence of sub-IAR on polarization in the SR band was found to depend on the ratio of the boundary frequency fb (the frequency that separates the negative and positive polarization of ULF magnetic noise) to the frequency of the first SR. The IAR influence on the polarization and amplitude of magnetic fields in the frequency band of the first Schumann resonance was discovered only at the NL and Lovozero stations: a high-quality Alfvén resonator in the ionosphere above the NL station could cause the SR frequency band to change and its central frequency to shift. Analysis of low-frequency data from the observatories separated by distances of 400 km has revealed that the influence of local ionospheric resonators can lead to a difference in the amplitude characteristics of the first SR even at such distances. It has also been shown that the influence of the IAR and sub-IAR resonators on the azimuthal angle of the magnetic field vector in the frequency band of the first SR is less noticeable and can generate variations in this parameter by 10°–20°. Numerical calculations performed for the spherical waveguide model made it possible to adequately interpret the features of the daily dynamics of the parameter ε in the frequency range of the first SR.

 ионосферные резонаторы магнитный шум шумановский резонанс поляризация спектральные параметры резонансная структура спектра ionospheric resonators magnetic noise Schumann resonance polarization spectral parameters resonance spectral structure Работа выполнена по проекту № FSWR-2023-0038 в рамках базовой части Государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ The work was carried out under Project No. FSWR-2023-0038 within the framework of the basic part of the Government assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

Беляев П.П., Поляков С.В., Рапопоpт В.О., Тpахтенгеpц В.Ю. Обнаpужение pезонансной стpуктуpы спектpа атмосфеpного электpомагнитного шумового фона в диапазоне коpоткопеpиодных геомагнитных пульсаций. Докл. АН СССР. 1987. Т. 297. С. 840–843. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Yu. Detection of the resonant structure of the spectrum of the atmospheric electromagnetic noise background in the range of short-period geomagnetic pulsations. Doklady AN SSSR [Reports of the Academy of Sciences of the USSR]. 1987, vol. 297, pp. 840–843. (In Russian). Беляев П.П., Поляков С.В., Рапопоpт В.О., Тpахтенгеpц В.Ю. Экспеpиментальные исследования pезонансной стpуктуpы атмосфеpного электpомагнитного шумового фона в диапазоне коpоткопеpиодных геомагнитных пульсаций. Изв. вузов. Радиофизика. 1989. Т. 32, № 6. С. 663–671. Belyaev P.P., Polyakov C.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Yu. Experimental studies of the spectral resonance structure of the atmospheric electromagnetic noise background within the range of short-period geomagnetic pulsations. Radiophys. Quantum Electron. 1989, vol. 32, no 6, pp.491–501. DOI: 10.1007/BF01058169. Ермакова Е.Н., Котик Д.С., Поляков С.В., Щенников А.В. О механизме формирования широкополосного максимума в спектре фонового шума на частотах 2–6 Гц. Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 7. С. 607–623. Bosinger T., Demekhov A.G., Ermakova E.N., Haldoupis C., Zhou Q. Pulsating nighttime magnetic background noise in the upper ULF band at low latitudes, J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014, vol. 119, no. 5, pp. 4109–4119. DOI: 10.1002/ 2014ja019906. Ермакова Е.Н., Поляков С.В., Семёнова Н.В. Исследование резонансных структур с разными частотными масштабами в спектре фонового КНЧ-шума на средних широтах. Изв. вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54, № 12. С. 881–890. Bösinger T., Shalimov S.L. Dispersive changes in magnetic background noise polarization at 0.1 to 6 Hz during sunset and sunrise at L=1.3, Ann. Geophys. 2004, vol. 22, no. 6, pp. 1–12. DOI: 10.5194/angeo-22-1989-2004. Ермакова Е.Н., Котик Д.С., Рябов А.В. и др. Исследование вариаций параметров широкополосного спектрального максимума в естественных шумовых полях крайне низкочастотного диапазона. Изв. вузов. Радиофизика. 2012. Т. 55, № 10–11. С. 671–682. Ermakova E.N., Kotik D.S., Polyakov S.V., Shennikov A.V. On a mechanism forming a broadband maximum in the spectrum of background noise at frequencies 2–6 Hz. Radiophys. Quantum Electron. 2007, vol. 50, no7, pp. 555–569. DOI: 10.1007/s11141-007-0049-1. Ермакова Е.Н., Котик Д.С., Рябов А.В., Панютин А.А. Исследование влияния локальных грозовых очагов на спектры параметров фонового УНЧ магнитного шума. Изв. вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57. Вып. 11. С. 875–888. Ermakova E.N., Polyakov S.V., Semenova N.V. A study of resonance structures with different scales in the spectrum of background extremely low frequency noise at middle latitudes. Radiophys. Quantum Electron. 2011, vol. 54, no. 12, pp. 796–804. DOI: 10.1007/s11141-012-9341-9. Кириллов В.В., Копейкин В.Н. Решение двухмерного телеграфного уравнения с анизотропными параметрами. Изв. вузов. Радиофизика. 2002. Т. 45, № 12. С. 1011–1023. Ermakova E.N., Kotik D.S., Ryabov V.A., Bosinger T., Zhou K. Studying the variations of the broadband spectral maximum parameters in the natural ULF fields. Radiophys. Quantum Electron. 2012, vol. 55, no. 10-11, pp. 605–615. DOI: 10.1007/s11141-013-9398-0. Кириллов В.В., Копейкин В.Н. Формирование резонансной структуры локальной индуктивности. Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 1. С. 1–12. Ermakova E.N., Kotik D.S., Ryabov A.V., Panyutin A.A. Studying the effect of the local thunderstorm cells on the background ULF magnetic noise parameter spectra. Radiophys. Quantum Electron. 2014, vol. 57, no. 11, pp. 782–794. DOI: 10.1007/s11141-015-9564-7. Колосков А.В., Безродный В.Г., Буданов О.В. и др. Поляризационный мониторинг шумановских резонансов в Антарктиде и восстановление характеристик мировой грозовой активности. Радиофизика и радиоастрономия. 2005. Т. 10, № 1. С. 11–29. Greenberg E., Price C. Diurnal variations of ELF transients and background noise in the Schumann resonance band. Radio Sci. 2007, vol. 42, RS2S08, pp. 1–14. DOI: 10.1029/ 2006RS003477. Поляков С.В., Рапопоpт В.О. Ионосфеpный альфвеновский pезонатоp. Геомагнетизм и аэpономия. 1981. Т. 21, № 6. С. 816–822. Kirillov V.V., Kopeykin V.N. Solving a two-dimensional telegraph equation with anisotropic parameters. Radiophys. Quantum Electron. 2002, vol. 45, no. 12, pp. 929–941. DOI: 10.1023/A:1023525331531. Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Цэгмэд Б. Морфология и диагностический потенциал ионосферного альфвеновского резонатора. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 3. С. 39–56. DOI: 10.12737/szf-73202104. Kirillov V.V., Kopeykin V.N. Formation of a resonance structure of the local inductance of the ionosphere at frequencies 0.1–10 Hz. Radiophys. Quantum Electron. 2003, vol. 46, no. 1, pp. 1–12. DOI: 10.1023/A:1023652610575. Ролдугин В.К., Васильев А.Н. Вариации параметров эллипса поляризации шумановского резонанса в горизонтальной и вертикальной плоскостях по наблюдениям в обсерваториях Баренцбург и Ловозеро. Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т.52, № 1, С. 73–81. Koloskov A.V., Bezrodny V.G., Budanov O.V., Paznukhov A.V., Yampolsky Yu.M. Polarization monitoring of Schumann resonances in Antarctica and restoration of the characteristics of global thunderstorm activity. Radiofizika i radioastronomiya. [Radiophysics and Radioastronomy]. 2005, vol. 10, no. 1, pp. 11–29. (In Russian). Русаков Н.Н., Бакастов С.С. Вращение горизонтальной проекции вектора возмущения магнитного поля на частотах шумановского резонанса. Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т. 28, № 6. С. 919–922. Nickolaenko A.P., Rabinowicz L.M. Study of the annual changes of global lightning distribution and frequency variations of the first Schumann resonance mode. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1995, vol. 57, no. 11, pp. 1345–1348. DOI: 10.1016/0021-9169(94)00114-4. Bosinger T., Demekhov A.G., Ermakova E.N., et al. Pulsating nighttime magnetic background noise in the upper ULF band at low latitudes. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. Vol. 119, no. 5. P. 4109–4119. DOI: 10.1002/2014ja019906. Nickolaenko A.P., Satori G., Zieger B., Rabiniwicz L.M., Kudintseva I.G. Parameters of global thunderstorm activity deduced from long-term Schumann resonance records. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1998. vol. 60, no. 3, pp. 887–399. DOI: 10.1016/S1364-6826(97)00121-1. Bösinger T., Shalimov S.L. Dispersive changes in magnetic background noise polarization at 0.1 to 6 Hz during sunset and sunrise at L=1.3. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22, no. 6. P. 1–12. DOI: 10.5194/angeo-22-1989-2004. Ogawa T., Tanaka Y., Yasuhara M. Schumann resonances and world-wide thunderstorm activity—diurnal variations of the resonant power of natural noises in the earth-ionosphere cavity. J. Geophys. Res. 1969, vol. 21, no. 1, pp. 447–452. Greenberg E., Price C. Diurnal variations of ELF transients and background noise in the Schumann resonance band. Radio Sci. 2007. Vol. 42, no. 2. RS2S08. P. 1–14. DOI: 10.1029/2006RS003477. Polyakov S.V., Rapoport V.O. Ionospheric Alfven resonator. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1981, vol. 21, no. 5, pp. 816–822. (In Russian). Nickolaenko A.P., Rabinowicz L.M. Study of the annual changes of global lightning distribution and frequency variations of the first Schumann resonance mode. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1995. Vol. 57, no. 11. P. 1345–1348. DOI: 10.1016/0021-9169(94)00114-4. Potapov A., Polyushkina T.N., Tsegmed B. Morphology and diagnostic potential of the ionospheric Alfvén resonator. Solar-Terrestrial Phys. 2021, vol. 7, no. 3, pp. 39–56. DOI: 10.12737/stp-73202104. Nickolaenko A.P., Satori G., Zieger B., et al. Parameters of global thunderstorm activity deduced from long-term Schumann resonance records. J. Atmos. Solar.-Terr. Phys. 1998. Vol. 60, no. 3. P. 387–399. DOI: 10.1016/S1364-6826(97)00121-1. Price C., Melnikov A. Diurnal, seasonal and inter-annual variations in the Schumann resonance parameters. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004, vol. 66, no. 13-14, pp. 1179–1185. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.05.004. Ogawa T., Tanaka Y., Yasuhara M. Schumann resonances and world-wide thunderstorm activity—diurnal variations of the resonant power of natural noises in the earth-ionosphere cavity. J. Geophys. Res. 1969. Vol. 21, no. 1. P. 447–452. Roldugin V.K., Vasiliev A.N. Variations in the parameters of the Schumann resonance polarization ellipse in the horizontal and vertical planes according to observations at the Barentsburg and Lovozero observatories. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2012, vol.52, no.1, pp. 73-81. (In Russian). Price C., Melnikov A. Diurnal, seasonal and inter-annual variations in the Schumann resonance parameters. J. Atmos. Solar.-Terr. Phys. 2004. Vol. 66, no. 13-14. P. 1179–1185. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.05.004. Roldugin V.C., Maltsev Y.P., Vasiljev A.N., Schokotov A.Y., Belyajev G.G. Diurnal variations of Schumann resonance frequency in NS and EW magnetic components. J. Geophys. Res. 2004, vol. 109, A08304, pp. 1–4. DOI: 10.1029/2004JA010487. Roldugin V.C., Maltsev Y.P., Vasiljev A.N., et al. Diurnal variations of Schumann resonance frequency in NS and EW magnetic components. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109. A08304. P. 1–4. DOI: 10.1029/2004JA010487. Rusakov N.N., Bakastov S.S. Rotation of the horizontal projection of the magnetic field disturbance vector at Schumann resonance frequencies. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1988, vol. 28, no. 6, pp. 919–922. (In Russian). Satori G., Zieger B. Spectral characteristics of Schumann resonances observed in Central Europe. J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101, no. D23. P. 29663–29669. DOI: 10.1029/96JD00549. Satori G., Zieger B. Spectral characteristics of Schumann resonances observed in Central Europe. J. Geophys. Res. 1996, vol. 101, no. D23, pp. 29663–29669. DOI: 10.1029/96JD00549. Schlegel K., Fullekrug M. Diurnal harmonics in Schumann resonance parameters observed on both hemispheres. Geophys. Res. Lett. 2000. Vol. 27, no. 17. P. 2805–2808. DOI: 10.1029/2000GL003774. Schlegel K., Fullekrug M. Diurnal harmonics in Schumann resonance parameters observed on both hemispheres. Geophys. Res. Lett. 2000, vol. 27, no. 17, pp. 2805–2808. DOI: 10.1029/2000GL003774. Sentman D.D. Magnetic elliptical polarization of Schumann resonances. Radio Sci. 1987. Vol. 22, no. 4. P. 595–606. DOI: 10.1029/RS022i004p00595. Sentman D.D. Magnetic elliptical polarization of Schumann resonances. Radio Sci. 1987, vol. 22, no. 4, pp. 595–606. DOI: 10.1029/RS022i004p00595.