Solar-Terrestrial PhysicsSolar-Terrestrial PhysicsСолнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics2712-9640746810.12737/13831Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийDynamics of disturbance level of total electron content at high and middle latitudes according to GPS dataДинамика возмущенности полного электронного содержания в высоких и средних широтах по данным GPShttps://orcid.org/0000-0001-5695-4688ПереваловаНаталья ПетровнаPerevalovaNatalia Petrovnapereval@iszf.irk.ru
Институт солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar-Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИркутский государственный университетИркутскРоссияIrkutsk State UniversityIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИркутский государственный университетИркутскРоссияIrkutsk State UniversityIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian Federation1703201617032016213643https://naukaru.ru/en/nauka/article/7468/view
Проведено исследование уровня возмущенности полного электронного содержания (ПЭС) в среднеширотных и высокоширотных областях ионосферы в течение 2013 г. Ряды вариаций ПЭС рассчитывались по двухчастотным фазовым измерениям на всех радиолучах для GPS-станций MOND (Монды), NRIL (Норильск). Рассматривались колебания ПЭС в двух диапазонах периодов: 10 и 40 мин, которые соответствуют средне- и крупномасштабным ионосферным возмущениям. Для характеристики общего уровня возмущенности ПЭС использовался специальный индекс WTEC, который позволяет получать многодневные непрерывные ряды усредненной интенсивности вариаций ПЭС. Выявлено, что в высоких широтах поведение WTEC хорошо согласуется с вариациями AE и хуже — с поведением индекса Dst; минимальный уровень возмущенности ПЭС не зависит от сезона; суточные вариации WTEC более выражены для среднемасштабных ионосферных возмущений, чем для крупномасштабных. В средних широтах поведение WTEC хорошо согласуется с вариациями Dst и Kp только во время сильных магнитных бурь; значение минимального уровня возмущенности летом выше, чем зимой; суточные вариации WTEC в средних широтах ярко выражены в течение года. В средних широтах солнечный терминатор генерирует гравитационные волны, в Арктическом регионе возмущения, вызванные солнечным терминатором, не наблюдаются.
We study the level of total electron content (TEC) disturbance in ionospheric mid-latitude and high-latitude regions during 2013. TEC behavior is calculated using data from two GPS stations: MOND (Mondy) and NRIL (Norilsk). TEC variations are calculated from two-frequency phase measurements for all radio rays. We analyze the TEC variations in two time ranges: 10 and 40 min. These ranges correspond to middle- and large-scale ionospheric disturbances respectively. The TEC disturbance level is characterized using the special index WTEC. WTEC allows us to receive multi-day continuous series of average TEC variation intensity. We reveal that at high latitudes WTEC variations agree well with AE ones. The correlation between WTEC and Dst variations is much less. The minimum level of TEC disturbance is independent of the season in the Arctic region; diurnal WTEC variations are more pronounced for medium-scale ionospheric disturbances than for large-scale ones. At mid-latitudes, the WTEC behavior agrees well with the Dst and Kp variations only during strong magnetic storms. The minimum level of TEC disturbance is higher in summer than in winter. At mid-latitudes, the sunset terminator generates gravitational waves. In the Arctic region, terminator-generated waves are not observed.
GPSионосфераполное электронное содержаниеАрктический регионгеомагнитные вариации.GPSionospheretotal electron contentArctic regiongeomagnetic variations
ВВЕДЕНИЕ Одним из эффективных методов изучения ионосферы являются современные глобальные навигационные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС с развитыми сетями наземных приемников. Зондирование ионосферы радиосигналами GPS/ГЛОНАСС позволяет изучать неоднородности ионосферной плазмы. В последние годы большое внимание уделяется исследованию морфологии ионосферных возмущений различных масштабов в отдельных регионах земного шара [Tsugawa, Saito, 2004; Kotake et al., 2006; Tsugawa et al., 2007a, b; Otsuka et al., 2011, 2013]. Установлены общие характеристики перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ, периоды 10-60 мин) в Европе, Японии и Северной Америке. Дневные ПИВ в этих регионах часто возникают в зимний период и в равноденствие. Учитывая преимущественное направление (на юг и юго-восток) дневных ПИВ, авторы работ [Kotake et al., 2006; Tsugawa et al., 2007a, b; Otsuka et al., 2011, 2013] высказали предположение, что эти возмущения вызваны гравитационными волнами, а ночные ПИВ, в среднем распространяющиеся на юго-запад, могут быть связаны с электродинамическими силами. В Японии выявлены общие характеристики ПИВ (периоды более 60 мин) [Tsugawa, Saito, 2004]. Выделены три типа: затухающие и нарастающие ПИВ в возмущенный период и затухающие ПИВ в спокойный период. Определены средние скорости затухания, периоды, длины волн, горизонтальные скорости и направления перемещения для ПИВ каждого типа.Основная часть результатов по морфологии ионосферных возмущений получена по данным плотных сетей приемников GPS. Однако для таких исследований могут использоваться и отдельные станции GPS, так как даже одна станция обеспечивает контроль вариаций полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере в радиусе 500-1000 км за счет пространственного распределения лучей приемник - спутник GPS в течение суток. При этом серьезным ограничением технологии GPS-зондирования ионосферы является малая длительность непрерывного ряда ПЭС, ограниченная временем наблюдения одного спутника (около 2-6 ч). Эта проблема затрудняет изучение долговременных вариаций ПЭС и их связей с процессами в магнитосфере Земли и воздействиями со стороны солнечного ветра. Для решения этой проблемы в ИСЗФ СО РАН разработан метод, позволяющий получить многодневные непрерывные ряды усредненной интенсивности вариаций ПЭС, фильтрованных в выбранном диапазоне периодов, по данным измерений отдельной GPS-станции (индекс возмущенности WTEC) [Berngardt et al., 2014a, b; Воейков и др., 2016]. В настоящей работе данный метод был применен для сравнения поведения вариаций ПЭС в средне- и высокоширотных областях с изменениями индексов геомагнитной активности.
Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.Afrajmovich E.L., Perevalova N.P. GPS-Monitoring Verkhnej Atmosfery Zemli [GPS-Monitoring of the Earth´s Upper Atmosphere]. Irkutsk, SC RRS SB RAMS. 2006, 480 p. (in Russian).Воейков С.В., Бернгардт О.И., Шестаков Н.В. Использование индекса возмущенности вертикальных вариаций ПЭС при исследовании ионосферных эффектов Челябинского метеорита // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. № 2. [Принята в печать].Afraimovich E.L., Edemsky I.K., Voeykov S.V., Yasuke-vich Yu.V., Zhivet´ev I.V. Spatio-temporal structure of the wave packets generated by the solar terminator. Adv. Space Res. 2009, vol. 44, no. 7, pp. 824-835.Ишин А.Б., Воейков С.В., Перевалова Н.П. и др. Вариации ионосферных параметров, наблюдавшиеся во время мощных ураганов 2005 г. вблизи атлантического побережья США // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2009. Т. 2. Вып. 6 C. 274-279.Berngardt O.I., Voeykov S.V., Ratovsky K.G. Using a single GSP/GLONASS receiver for estimating the level of ionospheric disturbance. General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 2014 XXXIth URSI, 16-23 Aug. 2014. IEEE. 2014a, pp.1-3. DOI: 10.1109/URSIGASS.2014. 6929809.Afraimovich E.L., Edemsky I.K., Voeykov S.V., et al. Spatio-temporal structure of the wave packets generated by the solar terminator // Adv. Space Res. 2009. V. 44, N 7. P. 824-835.Berngardt O.I., Voeykov S.V., Ratovsky K.G. Using a single GPS/GLONASS receiver for estimating the level of ionospheric disturbance. The 40th COSPAR Scientific Assembly. Moscow, Russia, August 2-10, 2014: abstracts. M., 2014b, P. C0.2-0015-14.Berngardt O.I., Voeykov S.V., Ratovsky K.G. Using a single GSP/GLONASS receiver for estimating the level of ionospheric disturbance // General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 2014 XXXIth URSI, 16-23 Aug. 2014. IEEE: 2014a. P. 1-3. DOI: 10.1109/URSIGASS.2014. 6929809.Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances 1982-1995. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, no. 5, pp. 917-940.Berngardt O.I., Voeykov S.V., Ratovsky K.G. Using a single GPS/GLONASS receiver for estimating the level of ionospheric disturbance // The 40th COSPAR Scientific Assembly. Moscow, Russia, August 2-10, 2014: Abstracts. M., 2014b. P. C0.2-0015-14.Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York, Springer-Verlag Wien. 1992. 327 p.Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances 1982-1995 // Ann. Geophys. 1996. V. 14, N 5. P. 917-940.Ishin A.B., Voeykov S.V., Perevalova N.P., Zalizovsky A.V., Sopin A.A. Ionospheric parameters´ variations registered during powerful hurricanes near the USA Atlantic coast in 2005. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Present Problems of Remote Probing Earth From Space]. 2009. vol. 6, no. 2. pp. 274-279 (in Russian).Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York: Springer-Verlag Wien. 1992. 327 p.Kotake N., Otsuka Y., Tsugawa T., Ogawa T., Saito A. Climatological study of GPS total electron content variations caused by medium-scale traveling ionospheric disturbances. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A04306. DOI: 10.1029/2005 JA011418.Kotake N., Otsuka Y., Tsugawa T., et al. Climatological study of GPS total electron content variations caused by medium-scale traveling ionospheric disturbances // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. A04306. DOI: 10.1029/2005JA011418.Otsuka Y., Kotake N., Shiokawa K., Ogawa T., Tsugawa T., Saito A. Statistical study of medium-scale traveling ionospheric disturbances observed with a GPS receiver network in Japan. Aeronomy of the Earth’s Atmosphere and Ionosphere, IAGA Special Sopron Book Series 2. 2011. no. 21, pp. 291-299. DOI: 10.1007/978-94-007-0326-1_21.Otsuka Y., Kotake N., Shiokawa K., et al. Statistical study of medium-scale traveling ionospheric disturbances observed with a GPS receiver network in Japan // Aeronomy of the Earth’s Atmosphere and Ionosphere, IAGA Special Sopron Book Series 2. 2011. N 21. P. 291-299. DOI: 10.1007/978-94-007-0326-1_21.Otsuka Y., Suzuki K., Nakagawa S., Nishioka M., Shiokawa K., Tsugawa T. GPS observations of medium-scale traveling ionospheric disturbances over Europe. Ann. Geophys. 2013, no. 31, pp. 163-172. DOI: 10.5194/angeo-31-163-2013.Otsuka Y., Suzuki K., Nakagawa S., et al. GPS observations of medium-scale traveling ionospheric disturbances over Europe // Ann. Geophys. 2013. N 31. P. 163-172. DOI: 10.5194/angeo-31-163-2013.Tsugawa T., Kotake N., Otsuka Y., Saito A. Medium-scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS receiver network in Japan: a short review. GPS Solutions. 2007a, no. 11, pp. 139-144. DOI: 10.1007/s10291-006-0045-5.Tsugawa T., Kotake N., Otsuka Y., Saito A. Medium-scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS receiver network in Japan: a short review // GPS Solutions. 2007a. N 11. P. 139-144. DOI: 10.1007/s10291-006-0045-5.Tsugawa T., Otsuka Y., Coster A. J., Saito A. Medium-scale traveling ionospheric disturbances detected with dense and wide TEC maps over North America. J. Geophys. Res. 2007b, vol. 34, L22101. DOI: 10.1029/2007GL031663.Tsugawa T., Otsuka Y., Coster A. J., Saito A. Medium-scale traveling ionospheric disturbances detected with dense and wide TEC maps over North America // J. Geophys. Res. 2007b. V. 34. L22101. DOI: 10.1029/2007GL031663.Tsugawa T., Saito A. A statistical study of large-scale traveling ionospheric disturbances using the GPS network in Japan. J. Geophys. Res. 2004, vol. 109, A06302. DOI: 10.1029/ 2003JA010302.Tsugawa T., Saito A. A statistical study of large-scale traveling ionospheric disturbances using the GPS network in Japan // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. A06302. DOI: 10.1029/2003 JA010302.Voeikov S.V., Berngardt O.I., Shestakov N.V. Using the index of disturbance of vertical TEC variations for studying ionospheric effects of the Chelyabinsk meteorite. Geomagne-tizm i Ajeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2016, no. 2 (Accepted) (in Russian).URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp (accessed February 01, 2016).URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp (accessed February 01, 2016).