Features of development of the magnetic storm on November 7, 2022 according to the total electron content measurements

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Несколько характерных крупномасштабных неоднородностей можно наблюдать в полярной и субавроральной ионосфере в спокойных и возмущенных условиях. К ним можно отнести главный ионосферный провал (main ionospheric trough, MIT), буревое увеличение ионизации (storm enhanced density, SED), язык ионизации (tongue of ionization, TOI) и пятна повышенной ионизации — патчи (polar cap patches). Сильные градиенты на краях этих структур приводят к генерации неоднородностей, с которыми связаны сцинтилляции/флуктуации навигационных сигналов. Флуктуации сигналов GPS/ГЛОНАСС приводят к увеличению ошибок позиционирования, нарушению навигации и связи в высоких широтах [1—4].

Повышение электронного содержания часто наблюдается после полудня и в предполуночные часы (dusk-effect) во время магнитных бурь на субавроральных и авророальных широтах. Это явление носит название SED [5], источник его формирования расположен в дневной среднеширотной ионосфере. Чаще всего SED-структура регистрировалась в северном полушарии в американском долготном секторе. Наиболее ярко это явление проявляется в измерениях полного электронного содержания (TEC). Во время сильных магнитных бурь под влиянием магнитосферных электрических полей область SED значительно расширяется по широте, что проявляется в дневном увеличении TEC на средних широтах. Увеличение может составлять фактор 2 и выше [6]. Повышение может расширяться в солнечном направлении в сторону полюса с формированием по широте узкой полосы подобно шельфу, струе — SED/plume. Во время сильнейшей бури 30—31 октября 2003 г. в американском секторе в 22 UT величина TEC в центре шельфа превышала 250 TECU [7]. Структура SED/TOI регистрировалась и во время относительно слабых по интенсивности магнитных бурь, таких как 11 октября 2010 г. [8] и 17 марта 2013 г. [9].

Перемещение SED/plume в полярную шапку может приводить к усилению языка ионизации TOI [10—12]. Структуры TOI показывают зависимость от UT, сезона, долготы [13]. Внутри TOI ионизация может в 2—10 раз превышать фоновую/ночную ионизацию в полярной шапке [7]. При конвекции SED/TOI-структуры через полярную шапку TOI может фрагментироваться на дискретные полярные патчи [14]. На основе трехмерной томографической реконструкции TEC-измерений для американского сектора во время бури 17 марта 2013 г. выявлена высотная структура SED-plume и ее пространственно-временная эволюция. Сначала данная структура появилась на высоте около 400 км, затем расширялась вниз до 300 км и вверх до 500 км. Показано, что наибольшее увеличение ионизации наблюдается выше максимума F2 слоя [9].

Благоприятные условия для формирования SED/TOI складываются в североамериканском секторе. Большинство ранее выполненных исследований касалось именно этого сектора. Позже структуры SED/TOI обнаружены в других долготных секторах [8, 15—17].

Механизмы формирования SED/TOI-структуры обсуждаются в многочисленных работах [13, 18—21]. В работе [19] показано, что дрейфы ионов играют важную роль в образовании SED в верхней ионосфере, а нейтральные ветры — ниже максимума F2 слоя. Также установлено, что SED и TOI являются разными структурами, которые проявляются на разных высотах. На основе самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протонoсферы во время бури 17 марта 2015 г. было установлено, что ветер и изменение нейтрального состава играют важную роль в формировании структуры TOI. Было выявлено, что интенсивность и размер TOI растут с высотой [20].

Большинство исследований, касающихся анализа SED/TOI, сфокусировано на проявлении этих структур во время сильных геомагнитных возмущений. Эти исследования были акцентированы на анализе эффектов SED/TOI в американском долготном секторе. Лишь в нескольких работах пространственно-временное развитие этих аномалий представлено для малых и умеренных бурь. Исключением из общей тенденции можно выделить работу, в которой представлены результаты анализа для бури малой интенсивности 11 октября 2010 г., когда индекс Dst не превышал –80 нTл [8].

В данной работе представлены результаты наблюдений пространственно-временного поведения ТЕС с проявлением SED/TOI-структур для умеренной бури 7 ноября 2022 г. в европейском и американском долготных секторах. Представлены характеристики и пространственно-временная эволюция этих структурных особенностей высокоширотной ионосферы. Проведено сравнение основных характеристик этих структур для рассматриваемого события с другими бурями в разных долготных секторах. Основной целью работы является выявление пространственно-временных особенностей SED/TOI-структур для умеренной бури в период осеннего равноденствия.

Ранее большая часть исследований касалась ограниченного числа событий (сильных бурь). Поэтому представляется интересным расширить анализ проявления эффектов SED/TOI применительно к различным геофизическим условиям. Результаты исследований могут быть полезны для дальнейшего прогнозирования высокоширотных ионосферных эффектов космической погоды, что особенно актуально в вопросах обеспечения навигации и радиосвязи в Арктике.

ДАННЫЕ И МЕТОДОЛОГИЯ

Для исследования ионосферных эффектов бури использовались измерения полного электронного содержания (TEC), которые основываются на GPS/ГЛОНАСС-наблюдениях мировой сети станций. Для анализа пространственно-временной динамики ионосферы во время бури формировались региональные карты TEC для европейского и американского секторов. В качестве исходных данных использовались глобальные карты TEC (GIM), которые представлены в IONEX-формате на сайте https://cddis.nasa.gov/archive/gnss/products/ionex/ (далее — IONEX-карты). Карты представлены в географических координатах с равномерным шагом в долготном диапазоне ±180°, в диапазоне широт ±87.5°. Разрешения карт составляют 2.5° по широте и 5° по долготе, единица измерений — 1 TECU = 10¹⁶ еl/м². Карты формируются разными ионосферными центрами c различным временным разрешением. Мы использовали карты с 15-минутным разрешением [22]. Карты GIM имеют хорошее пространственное покрытие и широко используются в ионосферных исследованиях.

Детальные характеристики SED/TOI-структур были получены по TEC-картам, сформированным по данным базы “Мадригал” (http://cedar.openmadrigal.org/) [23]. Разрешение карт “Мадригал” — 1×1° по широте и долготе, временное разрешение — 5 мин. Карты “Мадригал” обеспечивают высокое разрешение для регионов, где имеется хорошо развитая сеть GPS/ГЛОНАСС-станций. Карты имеют низкое пространственное покрытие над океанами и, в частности, в восточной части России. Для анализа эффектов бури мы формировали по данным GIM региональные карты для спокойного дня 6 ноября, возмущенного дня 7 ноября и на восстановительной фазе бури 8 ноября. Для анализа эволюции структуры TOI формировались полярные карты в географических координатах.

ГЕОМАГНИТНАЯ ОБСТАНОВКА

Развитие геомагнитной бури 7 ноября 2022 г. представлено на рис. 1. Солнечно-магнитные параметры сформированы по данным OMNI (https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/omni_min.html). Пропуски на рисунке обусловлены отсутствием данных. Последовательно (сверху вниз) показаны: вариации Bz-компоненты межпланетного магнитного поля (IMF), скорость солнечного ветра (V_sw), планетарный геомагнитный индекс Kp, геомагнитный индекс симметричной компоненты кольцевого тока SYM-H для 6—10 ноября 2022 г. Буря носила изолированный характер с небольшой продолжительностью активной фазы (около 7 ч), без четко выраженного внезапного начала (SSC). Основная фаза бури стартовала после 10:30 UT, затем произошло падение индекса SYM-H до значения ~110 нТл примерно в 17:30 UT, далее последовала фаза восстановления. Индекс геомагнитной активности Kp достигал максимального значения –5 в 21 UT 7 ноября. Отрицательная величина Bz достигала –12.1 нТл в 17 UT, после 18 ч Bz-компонента приобрела положительную величину с флуктуацией до 10 нТл. Эффект SED проявился на начальной стадии фазы восстановления. На рис. 1 штриховкой показан интервал, когда проявлялась SED-plume-структура.

 

Рис. 1. Солнечно геомагнитные условия за 6—10 ноября 2022 г.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Нами были сформированы региональные карты TEC для европейского и американского секторов для широт выше 50° с.ш.. На рис. 2 представлены карты TEC с одночасовым интервалом для спокойного дня (6 ноября) и возмущенного (7 ноября) на интервале 12—23 UT. Здесь также показан фрагмент карт на восстановительной фазе бури 8 ноября 00—03 UT. Локальные области (темные пятна) на картах соответствуют очень низкой концентрации (менее 3 TECU). Проявление таких пятен в ночной ионосфере отражает точность измерений TEC в конкретных условиях.

 

Рис. 2. Карты TEC с часовым интервалом для европейского (а) и американского (б) секторов за 6 и 7 ноября 2022 г. Карты для обоих секторов за 8 ноября в интервале 00—03 UT (в)

 

На рисунке видно, что по сравнению со спокойным днем пространственно-временная структура ионосферы во время бури претерпела существенные изменения. Наиболее значимый эффект бури проявился в дневное время. Увеличение электронной концентрации ярко проявилось в послеполуденное время как в европейском, так и в американском долготном секторах. Такое увеличение концентрации ассоциируется с проявлением эффекта SED, который часто наблюдается на средних и субавроральных широтах. Структура SED может простираться до высоких широт в касп и полярную шапку, с формированием TOI [5].

Европейский сектор

Над Европой положительное возмущение, определяемое как SED-структура, ярко проявилось в интервале 10—19 UT (рис. 2а). На картах видно, что в это время имела место существенная перестройка широтной структуры ионосферы. Из рис. 2а следует, что в высоких широтах в полярной ионосфере c 15 UT сформировалась аномалия в виде области повышенных значений TEC. Следует отметить, что подобная аномалия не наблюдалась в спокойный день 6 ноября. Южная граница положения аномалии приходилось на широты около 70—75° с.ш. На широтах выше 75° с.ш. в 15 UT повышение TEC было более чем в 2 раза по сравнению со спокойным днем 6 ноября. Высокоширотная аномалия наблюдалась вплоть до 19 UT. Над Азией (здесь не показано) в ночном секторе область повышенной электронной концентрации расширялась и опускалась на более низкие широты. Это можно в дальнейшем наблюдать на полярных картах TEC. Мы отмечаем, что данная структура регистрировалась на активной фазе бури, когда Bz-компонента межпланетного магнитного поля IMF приобрела устойчиво положительный характер. Мы определили описываемую аномалию, как проявление языка ионизации TOI. Структура TOI формируется, когда область повышенной электронной концентрации (SED) проникает в полярную шапку и далее за счет конвекции в антисолнечном направлении, может проявиться в ночной ионосфере. В полярной шапке TOI может фрагментироваться в дискретные пятна повышенной электронной плотности (polar cap patches), с которыми ассоциируются флуктуации ГЛОНАСС/GPS-сигналов в полярной ионосфере [14]. Интенсивные флуктуации во время геомагнитных бурь могут нарушить работу навигационных систем [1].

На рис. 3 приведена детальная картина проявления TOI в европейском долготном секторе для 15 UT. С этого момента времени наблюдалась аномалия в полярной ионосфере в виде положительного возмущения. Здесь представлен фрагмент карты TEC (слева) и широтный разрез на долготе 10° в.д. для 7 ноября (справа). Карты построены на основе данных глобальных карт TEC с широтным разрешением 2.5°. Данные сети “Мадригал”, которые обеспечили бы более высокое широтное разрешение, на этих долготах отсутствуют. Для сравнения здесь дан также широтный профиль для 6 ноября. На широтном профиле 7 ноября c географической широты 75° с.ш. четко наблюдается рост TEC. Максимальная величина составила 15 TECU на широте 87° с.ш., что в 1.5 раза выше, чем на широтах ниже 75° с.ш.

 

Рис. 3. Карта TEC для европейского сектора 7 ноября и соответствующий широтный разрез на долготе 10° в.д. в 15 UT 6 и 7 ноября (а) и карта TEC для американского сектора за 7 ноября и соответствующий широтный разрез на долготе 110° з.д. в 21 UT за 6 и 7 ноября (б)

 

Американский сектор

Карты TEC над Америкой, на долготах от 90° до 180° з.д., представлены на рис. 2б для 6 и 7 ноября и фрагмент для 8 ноября (рис. 2в). На картах для ночного времени 12—15 UT выделяются небольшие области, где величина концентрации ниже 3 TECU. Эффект может быть обусловлен погрешностью измерений при столь низкой величине концентрации. Пространственно-временное распределение TEC во время бури существенно отличается от спокойных условий и разительно отличается от поведения в европейском секторе. Существенная перестройка ионосферы наблюдается после 14 UT 7 ноября на стадии активной фазы бури. В целом, аналогично Европе, эффект SED в виде положительного возмущения проявился в дневное время.

Характерной особенностью пространственного поведения TEC в американском секторе явилось положительное возмущение в виде узкой полосы, простирающейся в северо-западном направлении до широт выше 60° с.ш. Данная структура наблюдалась в интервале 20—23 UT 7 ноября. Интересно отметить, что возмущение сохранялось до 03 UT 8 ноября на восстановительной фазе бури.

Часто SED-структура ассоциируется со шлейфом увеличения TEC (SED-plume), который наблюдается в районе местного полудня в направлении к полюсу. Область, с которой начинается шлейф (основание), располагается на средних широтах и при вращении земли остается фиксированной в районе местного полудня [16]. В работе представлены примеры развития структуры SED-plume в российском и европейском регионах, затем прослежено ее проявление в Северной Америке. Над Восточной Сибирью и Европой SED структура наблюдалась около местного полудня и сдвигалась к заходу в Америке. В Европе структура SED наблюдалась в течение 15—20 ч в диапазоне 61°—63° инвариантной широты. Максимальная интенсивность эффекта приходились на Северную Америку.

Для выявления общих свойств и различий в структурах SED для разных бурь сравним результаты наших наблюдений для бури 7 ноября 2022 г. с магнитными бурями 4 ноября 2021 г. и 17 марта 2013 г. Буря 4 ноября 2021 г. началась в 00 UT, а главная фаза у нее завершилась в 12 UT. Буря 17 марта 2013 г. началась в 06 UT, а главная фаза у нее завершилась в 22 UT. И наконец, геомагнитная буря 7 ноября 2022 г. началась в 11 UT, а главная фаза бури завершилась в 18 UT. По интенсивности буря 7 ноября была самой слабой, а буря в марте 2013 г. самой сильной из рассматриваемых бурь. Во время бури 4 ноября 2021 г. мы обнаружили SED-plume в Европе в виде узкого шлейфа, простирающегося в северо-западном направлении до географических широт около 65° с.ш. Шлейф наблюдался вблизи местного полудня в течение 6—8 ч. Основание шлейфа располагалось на широте около 60° с.ш. CGL (corrected geomagnetic latitude). Максимальная величина TEC в шельфе составляла около 22—24 TECU, что в 1.5—2 раза превышало фоновый уровень. Ширина шельфа в основании составляла 5°—7°. SED-эффект приходился на стадию активной фазы бури, при этом индекс Kp достигал значения около 7—8 [24].

Во время бури 17 марта 2013 г. структура SED-plume наблюдалась в американском секторе в 19—23 UT и приходилась также на максимум развития геомагнитной бури, когда индекс SYM-H достигал максимальной величины (–130 нТл). Основание шлейфа приходилось на широты около 40° с.ш. Более низкое положение основания можно объяснить конфигурацией магнитного поля в американском секторе. Отметим, что для бури 17 марта 2013 г. структура SED-plume в TEC-измерениях проявлялась весьма слабо [9], в отличии от того, что демонстрируется для рассматриваемой бури (см. рис. 3). Хотя интенсивность бури была сильней в марте 2013 г.

Для рассматриваемой бури 7 ноября 2022 г., в отличие от бури 4 ноября 2021 г., проявление SED-plume наблюдалось не в европейском, а в американском секторе в интервале 20–23 UT, но аналогично с предыдущим событием — в районе местного полудня в активную фазу бури (см. рис. 2б). Различие долгот, на которых наблюдалась структура SED-plume, связано с разницей во временном ходе развития геомагнитных бурь. Шлейф повышенной электронной концентрации для бури 7 ноября простирается в северо-западном направлении с широт 50° до 70° с.ш. в американском секторе. Детальная картина проявления SED-plume на карте TEC представлена в нижней части на рис. 3 для 21 UT. Белая область на долготах больше –90° в.д. и широтах ниже 45° с.ш. связана с отсутствием измерений. Здесь можно определенно видеть основание шлейфа — область, которую можно ассоциировать с источником формирования SED-plume [16]. Основание шлейфа расположено в среднеширотной ионосфере на широтах 48°—50° с.ш.

В большинстве работ структура SED-plume демонстрируется на картах TEC, что не позволяет корректно оценить амплитуду эффекта. Для оценки амплитуды на рис. 3 показан широтный разрез SED-plume. На фоне плавного падения TEC в спокойный день 6 ноября во время бури наблюдается его резкое повышение в виде всплеска (горба). Центр горба располагается на широте 61° с.ш. В максимуме ширина всплеска составляет 2.0°—2.5°, в основании — около 10°, его амплитуда составила около 32 TECU. На экваториальной стенке горба величина TEC была в 2 раза выше относительно фона.

Полярные карты TEC

В отличие от представленных выше карт пространственно-временного распределения TEC (см. рис. 2), полярные карты позволяют проследить перемещение плазмы через полярную шапку, выделить возникновение и эволюцию SED/TOI во время бури. Полярные карты TEC формировались в географических координатах широта-долгота в широтном диапазоне 50°—90° с.ш. На рис. 4 для отдельных моментов времени представлены карты для 6—7 ноября 2022 г. Для 15 и 17 UT карты формировались по IONEX-данным, а для 23 UT использовались данные базы “Мадригал”. Данные “Мадригал” наиболее полно представлены для американского сектора. Рисунок демонстрирует пространственно-временную динамику SED/TOI во время бури.

 

Рис. 4. Полярные карты TEC за 6 и 7 ноября: 15, 17 UT, сформированные по IONEX-данным, 20 UT – по данным базы Мадригал

 

Эффект эволюции SED/TOI-структур был получен для умеренной по интенсивности бури 13 октября 2012 г. Карты TEC формировались с одночасовым интервалом, что дало возможность наблюдать временную динамику структуры SED/TOI и проследить ее распространение со средних широт в высокоширотную область. Структура SED-plume наблюдалась на восстановительной фазе бури 14 октября после 19 UT. Затем структура TOI перемешалась через полярную шапку и проявилась в ночной ионосфере в 23 UT. При этом превышение TEC по сравнению со спокойным днем составляло ~12 TECU [25].

Для рассматриваемой бури 7 ноября 2022 г. мы видели, что TOI-структура проявилась после 15 UT в евроазиатском секторе (см. рис. 3). На рис. 4 для 15UT явно прослеживается перемещение плазмы через полярную шапку из дневного в ночной сектор на долготах около 90° в.д.. Аномальное повышение электронной концентрации распространилось до широт ~ 65° с.ш. Величина TEC в 2—3 раза превышала уровень спокойного дня 6 ноября. В 17 UT повышение продвинулось в вечерний сектор на долготы ~ 60° в.д. и проявилось на более низких широтах ~60° с.ш. При этом интенсивность языка ионизации TOI выросла и расширился его долготный размер в полярной шапке. Величина TEC на широте 60° с.ш. превышала 15 TECU.

После 20 UT на долготах Америки четко сформировалась структура SED-plume в форме узкого шлейфа, вытянутого в северо-западном направлении, как это демонстрируется на рис. 2б. На рис. 4 для 20 UT показано проявление SED-plume на полярной карте, сформированной по данным базы “Мадригал”, которые обеспечивают более высокое разрешение по сравнению с IONEX-картами. К сожалению, данные “Мадригал” имеются не для всех долгот. Здесь ярко проявляется структура SED-plume в виде полосы, простирающейся в солнечном направлении до широт около 70° с.ш. Основание шлейфа приходилось на дневную ионосферу на широты около 50° с.ш. Величина электронной концентрации в центре шлейфа на широте 70° с.ш. составила более 15 TECU, что согласуется с результатами работы [25].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным TEC получена детальная картина пространственно-временного развития ионосферных возмущений во время умеренной по интенсивности бури 7 ноября 2022 г. Показаны особенности развития ионосферной бури в европейском и американском секторах. В обоих долготных секторах на стадии активной фазы бури на обоих секторах в послеполуденные часы наблюдалось положительное возмущение TEC, которое свидетельствует о проявлении эффекта SED (Storm Enhanced Density). В европейском секторе обнаружена высокая электронная концентрация на широтах выше 75° с.ш., которая наблюдалась в евроазиатском секторе в послеполуденное/вечернее время. Структура была ассоциирована с языком ионизации (TOI). На основе полярных карт показано, как плазма перемещалась через полярную шапку с дневной стороны ионосферы в ночную, где величина TEC превышала 15 TECU. Повышение TEC составляло более чем в 2 раза относительно спокойного дня.

На долготах Америки в околополуденное время обнаружена SED-plume-структура в виде узкого по широте шлейфа, простирающегося со средних широт в северо-западном направлении до широт около 75° с.ш. Превышение TEC в данной структуре составляло более чем в 2 раза относительно фона. Для равноценной по интенсивности бури 4 ноября 2021 г. SED-plume-структура наблюдалась в европейском секторе. Мы полагаем, что долготное различие для ноябрьских бурь 2021 и 2022 гг. связано с разницей во временном ходе развития геомагнитных бурь.

Результаты свидетельствуют, что SED/TOI-структуры могут иметь место не только для сильных, но для умеренных геомагнитных возмущений. Причем их проявление может наблюдаться на разных долготах, в зависимости от особенностей развития бурь. Как известно, с этими структурами ассоциируются флуктуации/сцинтилляции навигационных сигналов. Представленные исследования интересны для уточнения механизмов формирования SED/TOI, в задачах прогноза эффектов космической погоды, а также в вопросах обеспечения навигации на высоких широтах. Вопрос долготных особенностей проявления SED-plume требует дальнейших исследований.

作者简介

I. Shagimuratov

Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: shagimuratov@mail.ru
俄罗斯联邦, Kaliningrad

M. Klimenko

Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: shagimuratov@mail.ru
俄罗斯联邦, Kaliningrad

I. Efishov

Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: shagimuratov@mail.ru
俄罗斯联邦, Kaliningrad

M. Filatov

Polar Geophysical Institute

Email: shagimuratov@mail.ru
俄罗斯联邦, Apatity

G. Yakimova

Kaliningrad Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: shagimuratov@mail.ru
俄罗斯联邦, Kaliningrad

参考

补充文件