Статья: АНАЛИЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ НЕЙТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПО ДАННЫМ СРЕДНЕШИРОТНЫХ СТАНЦИЙ (2024)

Исследован метеорный поток Геминиды на основе данных, полученных в период с 01.12.2021 по 17.12.2021 методом базисных видеонаблюдений. Изучены метеоры в диапазоне блеска от -3m до 2m и с угловой длиной трека не менее 2°, объем выборки 327 событий. Поведение потока рассматривается в контексте взаимодействия ветвей DRG (декабрьские ρ-Геминиды) и GEM (Геминиды), тесно связанных друг с другом и объединенных общим происхождением. Активность потока составила ZHR=127, Flux=19 на момент общего максимума DRG+GEM (λsol~261.8°) и ZHR=32, Flux=4 на момент предположительного локального максимума DRG (λsol~258.8°). Получены значения суточного дрейфа для GEM (Δα=0.84°, Δδ=-0.27°, Δλec=0.75°, Δβ=-1.17°) и DRG (Δα=1.29°, Δδ=0.09°, Δλec=1.09°, Δβ=0.23°) в экваториальной и эклиптической системах координат, собственный дрейф в системе λec-λsol составил 0.09° и -0.26° для компонент DRG и GEM соответственно. Обнаружен встречный дрейф обеих ветвей с тенденцией к пересечению в точке α=112.1°, δ=32.5°, λsol=259.8°. Определены кинематические и орбитальные параметры метеороидов, выявлены различия наиболее вероятных геоцентрических скоростей для ветвей DRG (vg=35 км/с) и GEM (vg=34 км/с). Исследована морфология распределения орбит в пределах шлейфа. Даны рекомендации для надежного определения принадлежности метеоров к той или иной ветви.

Исследована связь между возмущениями космической погоды и пространственным распределением сбоев в работе железнодорожной автоматики на участках Северной и Октябрьской железных дорог в 2001-2006 гг. Во время наиболее сильных магнитных бурь, вызвавших многочисленные сбои, рассматриваются широтное распределение потока энергии авроральных электронов и локальная геомагнитная возмущенность, определенная как среднее значение модуля производной по времени горизонтальной компоненты геомагнитного поля |dBH/dt|. Показано, что на главной и восстановительной фазах магнитных бурь участки, на которых наблюдались сбои, попадали в область интенсивных авроральных высыпаний, а значение |dBH/dt| превышало 5 нТл/с. Связь между положением экваториальной границы аврорального овала и пространственным распределением сбоев рассматривается как во время отдельных магнитных бурь, так и статистически за пять лет наблюдений. И отдельные события, и статистические тесты показывают, что смещение к югу экваториальной границы аврорального овала коррелирует с ростом доли сбоев на более низкоширотных участках железных дорог, соответствующих субавроральным геомагнитным широтам.

Представлены результаты анализа данных наклонного зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ-сигналом на субавроральных трассах Магадан-Иркутск и Норильск-Иркутск. Указаны межпланетные источники магнитных бурь в ноябре-декабре 2023 г. Обнаружено, что сигналы, распространяющиеся вне дуги большого круга, и дополнительные диффузные отражения присутствуют на ионограммах наклонного зондирования во время усиления поля магнитосферной конвекции. Их появление может быть связано с рефракцией радиоволн на полярной стенке главного ионосферного провала и рассеянием на мелкомасштабных неоднородностях. Выявлена связь вариаций максимальных наблюдаемых частот модов распространения КВ-радиоволн с пространственным положением главного ионосферного провала и экваториальной границы зоны диффузных высыпаний электронов.

Приводятся результаты отработки (калибровки) по экспериментальным данным полуэмпирического метода исследования некоторых вопросов аэрономии области D ионосферы. Используются данные двух типов: 1) одновременные измерения высотных профилей электронной концентрации Ne(h) и скоростей ионизации q(h) в возмущенных условиях; 2) средние значения e> в различных гелиогеофизических условиях при низкой и высокой солнечной активности. Дается детальный анализ привлекаемых экспериментальных данных и описывается методология отработки метода. Показано, что во всех гелиогеофизических ситуациях необходимо использовать зависимости констант скоростей реакций от температуры T. При этом к выбору распределения T(h) следует подходить с осторожностью, учитывая, по возможности, большинство известных факторов, влияющих на него. Делается вывод о целесообразности использования новых скоростей фотоотлипания электронов от первичного отрицательного иона O2-, зависящих от зенитного угла Солнца и h. Неизвестные константу скорости диссоциативной рекомбинации кластерных положительных ионов и скорость фотоотлипания электронов от сложных отрицательных ионов можно рассматривать в качестве свободно варьируемых параметров, естественно, в разумных пределах. В возмущенной ионосфере экспериментальные данные показывают падение Ne на всех h при q≈(1.3÷2)102 см-3с-1 с последующим их ростом с увеличением q, что подтверждается расчетами по полуэмпирической модели, правда, для более широкого диапазона изменений q. Для лучшего согласия модельных расчетов с экспериментом и теоретического понимания обнаруженного эффекта требуется проведение дальнейших исследований. При использовании дневных средних e> результаты расчетов по полуэмпирическому методу качественно не противоречат общим представлениям о поведении аэрономических параметров в области D. Проведенные исследования показывают, что обсуждаемый метод позволяет получать качественные оценки во всех гелиогеофизических условиях, а для возмущенной ионосферы - вполне удовлетворительные количественные результаты.

Предложена методика оценки средней энергии потока высыпающихся электронов по измерению интенсивности эмиссии λ427.8 нм. В основу методики положены экспериментальная зависимость отношения интенсивностей эмиссий λ630.0 и λ427.8 нм от интенсивности эмиссии λ427.8 нм и результаты модельных расчетов зависимости средней энергии потока авроральных электронов от I630.0/I427.8. Приведены численные оценки влияния на данную зависимость трех факторов: формы энергетического спектра авроральных электронов, содержания атомарного кислорода нейтральной атмосферы и концентрации окиси азота NO. Рассчитана зависимость средней энергии потока авроральных электронов от интенсивности эмиссии λ427.8 нм, и представлена ее аналитическая аппроксимация.

Приведены результаты многолетних исследований изменения углов обзора и параметров атмосферы в средних широтах (район Новосибирска). Выполнен анализ отклика атмосферы на форбуш-понижения галактических лучей (КЛ) и солнечных протонных событий. Для анализа привлечено 181 форбуш-понижение и 18 наземных древних солнечных лучей наблюдения (Ground Level Enhancement, GLE) за 1967-2019 гг. Этот эффект рассматривается в зависимости от сезона года. Эффект увеличения давления во время форбуш-понижения более выражен в осенне-зимний период, однако имеет место и в теплое время года. Для среднемасштабных наблюдений также наблюдается тенденция роста давления после GLE. На фронте форбуш-понижения при спаде частоты КЛ с ростом атмосферного давления наблюдается рост среднемассовой и приземной температуры. На этапе восстановления после форбуш-понижения происходит снижение среднемассовой и приземной температуры. Предполагается, что наблюдения за изменениями атмосферных факторов влияют на скорость ионизации, что, в свою очередь, обусловливает изменения прозрачности атмосферы и облачности.

Проанализированы пространственно-временные вариации параметров ионосферы над регионами высоких и средних широт Евразии на основе анализа данных цепей высоко- и среднеширотных ионозондов в период сильной магнитной бури в марте 2015 г. Для анализа ионосферного отклика на экстремальное геомагнитное возмущение 24-го цикла солнечной активности использовались данные ионозондов о среднечасовых значениях критической частоты fоF2 слоя F2 ионосферы, критической частоты спорадического слоя foEs и минимальной частоты отражения fmin. Отмечаются сильные широтные и долготные различия в особенностях временных вариаций анализируемых ионосферных параметров как в спокойных условиях до начала магнитной бури, так и во время ее развития. Обсуждаются возможные причины наблюдаемых пространственных вариаций ионосферных параметров. Источником пространственно-временных вариаций параметров ионизации ионосферы могут быть неоднородности, генерируемые в ионосфере высоких широт в условиях повышенной гелиогеомагнитной активности. На главной и восстановительной фазах магнитной бури наблюдались периоды блэкаутов радиосигналов ионозондов как на высоких, так и на средних широтах. В эти периоды отмечался существенный рост поглощения радиоволн, используемых при зондировании ионозондами, а также частоты появления экранирующих слоев Es. Длительный эффект отрицательной ионосферной бури над регионами высоких и средних широт Европы объясняется перемещением области пониженного отношения концентраций [O]/[N2] на высотах термосферы из региона Дальнего Востока и Сибири на запад к европейской территории на позднем периоде восстановительной фазы магнитной бури. Повышенная ионизация F2-области над обширным регионом Восточной, Западной Сибири и Восточной Европы после завершения магнитной бури в марте 2015 г. является проявлением эффекта последействия магнитных бурь. Особенно ярко рост ионизации проявился по данным измерений цепи среднеширотных ионозондов.

Представлены результаты анализа всплесков аврорального хисса (шипения), зарегистрированных в обсерваториях «Ловозеро» и «Баренцбург». Они расположены на близких геомагнитных меридианах в авроральной и приполярной зоне. Установлено, что всплески хисса возникают сначала в авроральной зоне в обсерватории «Ловозеро». Затем они плавно затухают, после чего появляются в приполярной зоне в обсерватории «Баренцбург». Данные события происходят во время перемещения области геомагнитных возмущений и источника фазовых сцинтилляций GPS-сигналов из авроральных в приполярные широты. Анализ поляризации магнитного поля и азимутальных углов прихода всплесков хисса показал, что область на земной поверхности, засвеченная этими всплесками, возникала в авроральных широтах вблизи «Ловозеро», а затем также перемещалась на более высокие широты. Поскольку для выхода хисса к Земле и для возникновения сцинтилляций GPS-сигналов необходимо наличие в ионосфере неоднородностей электронной концентрации близких масштабов, мы предполагаем, что вызвать эти явления могли одни и те же неоднородности. Возможной причиной их возникновения является развитие токово-конвективной и/или дрейфовой неустойчивостей в ионосфере, обусловленных усилением продольных токов, на что указывает одновременное появление геомагнитных пульсаций Pi1B. Полученные результаты показывают, что прекращение хисса в авроральных широтах может быть вызвано смещением области геомагнитных возмущений на более высокие широты, а не изменениями условий распространения волн в ионосфере.

Проводится исследование области внешней ионосферы выше максимума ионизации NmF2 и переходной области между ионосферой и плазмосферой. На основе данных Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР) и данных глобальных навигационных спутниковых систем по полному электронному содержанию проводится анализ взаимодействия системы внешняя ионосфера-плазмосфера во время сильной геомагнитной бури в начале февраля 2022 г. Для определения электронного содержания ионосферы и плазмосферы используется оригинальная методика определения интегральной электронной плотности по данным ИРНР, которая учитывает двухкомпонентный состав ионосферной плазмы. Проведено сравнение различных функций аппроксимации области внешней ионосферы для данных ИРНР. Методика определения высоты перехода O+/H+ скорректирована для использования с данными профилей электронной плотности ИРНР, восстановленными на основе β-профиля Чепмена. Проведено сравнение электронного содержания плазмосферы в спокойные и магнитовозмущенные дни, а также динамики высоты перехода O+/H+, которая является верхней границей ионосферы и нижней границей плазмосферы.

В работе представлены результаты расчетов нормальных мод среднего течения, обусловленного суперпозицией циклонического и антициклонического вихрей в высоких широтах. Подобная структура потока часто наблюдается зимой в верхней тропосфере - нижней стратосфере. Мы надеялись выделить в спектре колебаний нормальные моды, напоминающие крутильные колебания. Задача решалась численно в рамках баротропной квазигеострофической модели. Дополнительно оценивалась зависимость нормальных мод от параметров эксперимента - количества сферических гармоник в разложении полей функции тока, параметризации вязкости и гипервязкости. Результаты расчетов показали, что неустойчивость течения практически всегда возрастала с увеличением амплитуды антициклонического вихря, в разной степени при разных вязкостях и количестве гармоник в разложении. Более хаотично при изменении параметров эксперимента и среднего потока менялась пространственная структура наиболее неустойчивых нормальных мод. Это существенно осложняет интерпретацию реальных колебаний в терминах нормальных мод, в том числе интерпретацию крутильных колебаний. Осесимметричные нормальные моды часто присутствовали в спектре, однако они не обладали всеми свойствами крутильных колебаний и не доминировали в спектре.

Поставлена задача о пондеромоторном разделении и ускорении ионов с различным отношением заряда к массе под влиянием волн Альфвена, постоянно существующих в магнитосфере в виде геомагнитных пульсаций. Выведены формулы для парциальных пондеромоторных сил, действующих на легкие и тяжелые (металлические) ионы. В квазигидродинамическом приближении получена система уравнений, описывающая распределение ионов вдоль силовых линий магнитного поля в магнитосфере Земли. Установлено, что число Кларка, характеризующее металличность плазмы, максимально в минимуме магнитного поля на силовой линии, вдоль которой распространяется альфвеновская волна, что приводит к накоплению тяжелых ионов в вершине силовой линии в месте пересечения ее с магнитным экватором. Полученные теоретические результаты согласуются с результатами спутниковых измерений распределения тяжелых ионов вдоль силовых линий в магнитосфере Земли.

Представлен обзор основных результатов исследования долговременных вариаций характеристик верхней нейтральной атмосферы и ионосферы, полученных в ходе выполнения Проекта РНФ № 22-17-00146 «Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия нейтральной и ионизованной компонент атмосферы Земли». Проанализированы долговременные вариации максимума электронной концентрации NmF2 и температуры области мезопаузы Tm, их зависимости от солнечной, геомагнитной и атмосферной активности, а также долговременные тренды. Для анализа использованы данные многолетних измерений на комплексе инструментов ИСЗФ СО РАН. Данные NmF2 за 1955-1996 гг. получены на Иркутской аналоговой автоматической ионосферной станции, за 2003-2021 гг. - на Иркутском цифровом ионозонде DPS-4; данные Tm - по спектрометрическим наблюдениям эмиссии молекулы гидроксила (полоса ОН (6-2), 834.0 нм, высота максимума излучения ~87 км) в 2008-2020 гг. К анализу привлечены данные об индексах солнечной и геомагнитной активности F 10.7 и Ар, а также данные о вариациях индекса Южной осцилляции (SOI). Использованы методы простой и множественной линейной регрессии. Обнаружено, что среднегодовые значения NmF2 преимущественно контролируются изменениями солнечного потока. Анализ регрессионных остатков показал, что наибольшие отклонения от регрессии (как для простой, так и для множественной регрессии) наблюдаются в годы вблизи максимумов солнечных циклов 19 (1956-1959 гг.) и 22 (1989-1991 гг.). Вариации среднегодовых значений изменчивости температуры области мезопаузы коррелируют с SOI: межсуточная изменчивость демонстрирует положительную корреляцию с SOI, внутрисуточная - отрицательную. Значимая связь между межгодовыми вариациями NmF2 и Tm не обнаружена.