Ионосферный долгопериодный PW-ответ, наблюдаемый в электронной плотности COSMIC

Известно, что влияние нейтрального ветра и электрического поля на ионосферу зависит от конфигурации геомагнитного поля. Поэтому распределение параметров ионосферы обычно представлено в геомагнитной широте вместо географической. Модифицированная огибающая (modip) широта, которая адаптирована к реальному магнитному полю, например, к магнитному наклону (dip), определяется Rawer (1963): , где - широта моды, I - истинный магнитный провал (обычно на высоте 350 км), а φ - географическая широта. Модификатор экватора - это локус точек, где магнитный провал (или наклон) равен 0. В экваториальной зоне линии с постоянной модификацией практически идентичны линиям магнитного наклона, но по мере увеличения широты они отклоняются и приближаются к значениям постоянных географической широты.
Основная цель этого исследования - получить глобальную пространственную структуру и временную изменчивость ионосферного отклика на один из 23-дневных PW SABER, представляющих возможное воздействие снизу. Это означает, что мы должны извлечь 23-дневную (s = 0) PW из данных ионосферы COSMIC и сравнить ее пространственное распределение и временную изменчивость с тем, что из-за воздействия из SABER 23-дневного (s = 0) PW. Наш анализ начнется с ионосферного ответа на 23-дневный (s = 0) PW, наблюдаемый в параметрах ионосферы f₀F2 и h_mF2, и их результаты показаны на рис. 6; Верхний график представляет амплитудный отклик f₀F2 PW (в МГц), а нижний график показывает отклик h_mF2 (в км). Оба ионосферных PW-ответа показывают улучшения в январе и феврале, аналогично форсированию PW, наблюдаемому в температурах SABER. Оба ионосферных ответа сильнее в NH, и оба они подвержены влиянию наступления основного SSW, поскольку они испытывают некоторый распад. До наступления SSW реакция f₀F2 и PW усиливается как по экватору, так и по 20°N, а к концу SSW он сильно усиливается в основном при 20°N, достигая амплитуды 0,38 МГц. Самый сильный сигнал h_mF2PW наблюдается по экватору с наибольшей амплитудой 7 км, что, несомненно, обусловлено 23-дневной изменчивостью вертикального дрейфа плазмы. Реакция h_mF2 PW постепенно уменьшается в сторону тропических широт NH, и она почти отсутствует в SH.

На рис.7 показаны широтные структуры 23-дневных (s = 0) амплитуд PW в МГц на высотах 350 км (верхний график) и 200 км (нижний график), наблюдаемых в электронной плотности COSMIC зимой 2008/2009 гг. Обе широтные структуры реакции PW с электронной плотностью сильно различаются; В то время как нижний уровень один очень похож на форсирование PW снизу, наблюдаемое в температурах SABER, реакция электронной плотности верхнего уровня аналогична реакции f₀F2 PW(см. Верхний график на рис.6). Ответ верхнего уровня максимизирует более 20°N, но он отображает некоторое улучшение во всем широтном диапазоне от ± 20° к модовой широте. Реакция PW на плотность нижнего уровня показывает расщепление с обеих сторон дифракционного экватора, поскольку улучшения расположены на ± 30°

На рис.8 представлены высотные структуры 23-дневных (s = 0) амплитуд PW, наблюдаемых в электронной плотности COSMIC на широтах 30N (верхний график), 20°N (средний график) и 30°S (нижний график), т.е. на широтах с усиленной ионосферной Реакция PW, показанная на рис. 7. Оба реактора электронной плотности электронов (верхние и средние графики) отображают не только депрессию PW, а затем значительное усиление к концу SSW, но также снижение усиления до более низких уровней; Это особенно хорошо видно на широте 30°N. Ответы двух уровней можно легко отличить в широких диапазонах ± 30°; В то время как ответ верхнего уровня NH больше, чем нижний уровень один в SH, ситуация противоположна. Реакция нижнего уровня в обоих полушариях расположена на высоте около 200 км, а верхний уровень в NH составляет около 300 км, а в SH - 375 км. Рис. 9 показывает высотно-широтную структуру 23-дневных (s = 0) амплитуд PW (верхний график) и фаз (нижний график), наблюдаемых в электронной плотности COSMIC 6 февраля 2009 года, когда ионосферный PW-ответ усиливается на поздней фазе SSW. Ответ четко указывает на влияние «эффекта фонтана», то есть, вероятно, 23-дневный (s = 0) PW в нижней атмосфере действует посредством модуляции вертикального дрейфа плазмы. Это предположение подтверждается также фазами PW-реакции электронной плотности, показанной на нижнем графике; Они одинаковы во всех местах с большой амплитудной характеристикой. На полусферную асимметрию реакции частично влияют преобладающие летние-зимние термосферные ветры, которые также приводят к снижению реакции NH. Самый сильный ответ PW наблюдается на высоте 350 км на широте 20°N и над экватором на высоте 325 км. Последнее усиление может быть вызвано сильной 23-дневной (s = 0) изменчивостью, которая присутствует в параметре ионосферы hmF2. Расщепление PW-отклика на высоте 200 км хорошо видно только на широте 30°S, потому что при 30°N сливается с ответом на более высоких уровнях.

Рис. 6. Сечения широты-времени 23-дневных амплитуд S0 PW, наблюдаемые в COSMIC foF2 и hmF2 в течение зимы 2008/2009.

Рис. 9. Высотно-широтная структура 23-дневных амплитуд S0 PW (в МГц, верхний график) и фаз (в градусах, нижний график), наблюдаемых в электронной плотности COSMIC 6 февраля 2009 года; Белая пунктирная линия отмечает температурный пик в полярной стратосфере.

Рис. 8. Структура высоты 23-дневных амплитуд S0 PW на широтах 30N (в МГц, верхний график), 20N (средний график) и 30S (нижний график), наблюдаемый в электронной плотности COSMIC зимой 2008/2009; Белая пунктирная линия отмечает температурный пик в полярной стратосфере.

Обсуждение и резюме

В настоящей работе мы впервые представили подробное описание глобальной пространственной (широтно-надземной) структуры и временной изменчивости 23-дневного (s = 0) PW-ионосферного отклика на вынужденное воздействие снизу, наблюдаемое в параметрах ионосферы COSMIC FoF2 и hmF2 и в электронной плотности на фиксированных высотах во время Северной зимы 2008/2009 гг. Принудительный из-за PW отклик параметров foF2 и hmF2 (представленный на рисунке 6) указывает на то, что такая ионосферная изменчивость может быть также обнаружена измерениями ионозонда, которые особенно выполняются в тропической области (± 30 диапазонов широты мод для foF2 и 0-30N Для hmF2). Полученные результаты обеспечивают сильную наблюдательную поддержку для связи PW-ионосферы за нижней областью динамо-термосферы. Сопряжение атмосферы и ионосферы PW изучается данными спутниковой платы (COSMIC и SABER / TIMED), которые были эффективно использованы для анализа. PW из двух наборов данных были извлечены с помощью того же метода анализа данных, подробно описанного Pancheva et al. (2009a). Сходство между низкой температурой атмосферы 23 дня (s = 0) PW и ее ионосферной реакцией электронной плотности, особенно на высоте 200 км, свидетельствует о подтверждении парадигмы взаимодействия атмосферы и ионосферы.

Важным является вопрос, связанный с источником 23-дневной (s = 0) температуры PW, наблюдаемой в тропической нижней термосфере. Мы обнаружили, что этот PW значительно превышает высоту более 100 км и достигает максимума около 115 км. Он генерируется на высоте около 110-115 км и показывает некоторое распространение вниз с быстро уменьшающейся амплитудой. Важной особенностью является то, что фазы 23-дневных колебаний на широтах 20°N и 10°S почти не соответствуют фазе (нижний график на рис.3a). Эта особенность является показателем того, что наиболее вероятно, что более поздняя термосферная 23-дневная (s = 0) волна также генерируется нелинейной связью между SPW1 и 23-дневным W1 (распространяющимся на запад PW с зональным волновым числом 1), как это имеет место Для зимней стратосферы и мезосферы (Pancheva et al., 2007, 2008b, 2009b). Зонно-симметричные волны являются вертикально распространяющимися волнами в стратосфере и мезосфере, поскольку обе взаимодействующие волны являются вертикально распространяющимися модами. Мухтаров и др. (2010a) однако указал, что в нижней термосфере (выше h = 100 км) наблюдается преимущественно захваченный SPW-сигнал. Кроме того, SPW1 в обоих полушариях почти не соответствует фазе, так как их климатологически средние фазы составляют 100°W в NH и 120E в SH. Анализ температурных данных SABER показал, что в обоих полушариях: (i) 23-дневные волны W1 являются вертикально распространяющимися волнами на широтах ± 50°; Это видно на нижнем графике рис. 10, где представлена структура высоты 23-дневной амплитуды W1 PW (в Кельвине, верхний график) и фаза (в градусах, нижний график) на широте 50°N; Также видно, что волна усиливается в нижней термосфере в течение января и февраля (верхний график), и (ii) SPW1 в нижней термосфере усиливается за пределами широт 50° (Мухтаров и др., 2010a). Поэтому, скорее всего, связь между SPW1 и 23-дневным W1 PW имеет место на более чем 50° широтах, которые отсутствуют в результатах анализа данных SABER.

Рис. 10. Высотные структуры 23-дневной амплитуды W1 PW (в Кельвине, верхний график) и фаза (в градусах, нижний график) на широте 50N, наблюдаемые в температурах SABER зимой 2008/2009.

Уже упоминалось, что Studer et al. (2012) обнаружили долговременные (около 20-30 дней) колебания в данных наземных измерений озона над Берном (46°N, 7°E), которые особенно сильны в нижней и средней стратосфере в зимние месяцы. Долгосрочный 23-дневный (s = 0) PW обнаружен также в данных о стратосферном озоне SABER для Северной зимы 2008/2009 гг., Как сообщается Jin et al. (Представлен для публикации). Такие колебания наблюдаются также в нижней термосфере в течение января и февраля, поскольку они особенно сильны в SH (20°S, не показан результат). Наличие долгопериодических (23-дневных) колебаний в нижнем термосферном озоне или других второстепенных составляющих с длительным временем жизни химических веществ может быть дополнительным источником нарушений, которые могут повлиять на изменчивость ионосферы. Другой интересный вопрос заключается в том, почему две широтные области усиленной электронной плотности 23-дневного (s = 0) PW-отклика обнаруживаются на широтах ± 30°; Ответ верхнего уровня, который максимизирует около 300 км для NH и 375 км для SH с аналогичным ответом в foF2 и нижний уровень один на высоте 200 км для обоих полушарий (рис.8). В настоящее время мы не можем дать разумного объяснения этого нового и очень интересного результата. Нужны численные симуляции, чтобы пролить свет на эту проблему.

Следует отметить также влияние SSW на 23-дневный (s = 0) PW, наблюдаемый при температурах SABER, а также на ионосферный отклик PW. Рис. 3 ясно указывал на то, что в то время как 23-дневная (s = 0) волна быстро распадается в стратосфере и мезосфере в начале SSW, она почти не подвержена влиянию в нижней термосфере. Изменение направления зонального ветра в страто-мезосфере предотвращает вертикальное распространение PW. Такие резкие и впечатляющие изменения фоновых условий в SSW не происходят в нижней термосфере. Однако начало SSW сильно влияет на ионосферный 23-дневный (s = 0) PW-ответ; Есть реакция распада, которая продолжается около 10 дней. Этот распад, скорее всего, связан с наблюдаемыми отрицательными откликами средних и суточных значений изменчивости параметров foF2 и hmF2 и плотности электронов на фиксированных высотах до температурных импульсов SSW, о которых сообщили Панчева и Мухтаров (2011c). В заключение отметим, что с помощью детального анализа температуры SABER 23 дня (s = 0) PW и ее глобальной реакции электронной плотности COSMIC мы представили ценные и сильные экспериментальные данные для долгопериодного PW-связи атмосферы -основной системы во время Северной зимы 2008/2009 гг.