Долговременные вариации критической частоты и высоты слоя F2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Константинова, Анна Владимировна

  • Константинова, Анна Владимировна
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 2018, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ25.00.29
  • Количество страниц 115
Константинова, Анна Владимировна. Долговременные вариации критической частоты и высоты слоя F2: дис. кандидат физико-математических наук: 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы. Москва. 2018. 115 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Константинова, Анна Владимировна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТРЕНДЫ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ И ВЫСОТЫ СЛОЯ F2

1. 1 Проблема исходных данных

1.2 Метод анализа

1.3 Выбор исходных данных

1.4 Результаты анализа трендов foF2

1. 5 Результаты анализа трендов высоты hmF2

ГЛАВА 2. СУТОЧНЫЕ И СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ МЕДИАНfoF2

2.1 Исходные данные и метод

2.2 Результаты

2.3 Обсуждение

ГЛАВА 3. ВАРИАЦИИ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ^2 ДО 2014 г

3.1 ТрендыfoF2 по данным системы «SPIDR»

3.2 Анализ медианных данных

ГЛАВА 4. СРАВНЕНИЕ ТРЕНДОВ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ F2, ПОЛУЧЕННЫХ РАЗНЫМИ АВТОРАМИ

4.1 Обзор результатов других авторов

4.2 Причины различий получаемых трендов

4.2.1 Выбор анализируемого периода

4.2.2 Учет зависимости трендов от местного времени

4.2.3 Учет зависимости трендов от сезона

ГЛАВА 5. ВАРИАЦИИ ПАРАМЕТРА «ДЕЛЬТА»

5.1 Метод анализа

5.2 Результаты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физика атмосферы и гидросферы», 25.00.29 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Долговременные вариации критической частоты и высоты слоя F2»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Проблема долговременных изменений (трендов) параметров атмосферы и ее верхней, ионизованной части - ионосферы - обсуждается более 30 лет. Ограниченный объем и структура диссертации не позволяют рассмотреть даже кратко десятки работ, посвященных этой проблеме. Приведем лишь основные факты, имеющие непосредственное отношение к предмету данной работы.

Первые оценки долговременных изменений в термосфере и ионосфере на основании теоретических моделей были сделаны, насколько известно, в работах Rishbeth [1990] и Rishbeth and Roble [1992]. Отметим, что пионерские работы по анализу долговременных трендов параметров верхней атмосферы и ионосферы по данным измерений проводились в Институте физики атмосферы (Н. Н. Шефов, А. И. Семенов), ИЗМИРАН (Г. В. Гивишвили), ЦАО (Г. А. Кокин) и Институте прикладной геофизики (А. Д. Данилов, А. В. Михайлов). В 1998 г. в ИЗМИРАН было проведено совещание, на котором высказана концепция об охлаждении и оседании средней и верхней атмосферы [Охлаждение и оседание..., 1998], основанная на значительном объеме экспериментальных данных, см. [Golitsyn et al., 1996] или более позднюю монографию [Шефов и др., 2006]. Эта идея позже была обобщена на основании большего количества экспериментальных данных (включая термосферу и ионосферу) и представлена в обзоре [Lastovicka et al, 2008]. Согласно предложенной концепции, увеличение количества парниковых газов в атмосфере (для простоты можно говорить о наиболее существенном из них -

СО2) должно приводить к целому ряду эффектов в атмосфере от стратосферы и выше. Основным эффектом является охлаждение нейтрального газа и соответствующее оседание термосферы.

Изучение этих изменений важно, как в научном, так и в практическом отношении по двум причинам.

Первая причина состоит в том, что изменение параметров ионосферного слоя F2 неизбежно должно влиять на условия распространения радиоволн коротковолнового диапазона. Вопрос о степени этого влияния зависит от знака и абсолютных величин трендов основных параметров слоя F2, foF2 и hmF2.

Вторая причина состоит в том, что наблюдаемые в последние десятилетия тренды плотности и температуры термосферы значительно превосходят те тренды, которые ожидаются по теоретическим моделям. Фактически наблюдаемые тренды уже сейчас (когда рост парниковых газов составляет менее 30%) сравнимы или даже превосходят тренды, предсказанные для сценария с удвоением содержания СО2 в атмосфере Земли. В этой ситуации выявление трендов параметров слоя F2 может служить своего рода индикатором - подтверждением или опровержением - значительных изменений в термосфере и ионосфере, более сильных, чем предсказывалось на основании теоретических расчетов [Rishbeth, 1990; Roble and Dickinson, 1989].

Это определяет актуальность исследования.

Научная и практическая значимость результатов

Выявление долговременных трендов параметров ионосферного слоя F2 имеет большое значение как для научных исследований, так и для практических задач. Информация о тенденциях изменения ионосферных параметров, таких как foF2 и hmF2 может помочь в более четком понимании аэрономических процессов, которые происходят при упомянутом выше охлаждении и оседании термосферы. На основании анализа указанных изменений уже получен ряд выводов, важных для более глубокого понимания

аэрономии термосферы в целом: наличие трендов зонального ветра, увеличение коэффициента турбулентной диффузии в районе турбопаузы, уменьшение количества атомного кислорода. Что же касается практических задач, то знание трендов основного «ионосферного зеркала» и характера их изменения на определенном этапе может оказаться очень важным для включения их в прогностическую деятельность ионосферных служб и для учета при проектировании прецизионных систем, использующих распространение радиоволн различных диапазонов.

Подробное сравнение результатов, полученных в основных исследованиях последних лет, с результатами, полученными в данной работе, приведено в главе 4. Здесь отметим только, что коллективный эксперимент по нахождению трендов foF2 разными методами и разными группами исследователей был проведен под руководством Ластовички [Lastovicka et а1., 2006]. В этом эксперименте все исследовательские группы использовали один и тот же массив исходных данных - измерения на ст. Ju1iusruh в 1977-1997 гг. Эксперимент показал, что тренды foF2 для этого периода оказались лишь немного меньше трендов, полученных в данной работе, и с некоторым разбросом дали среднее значение тренда порядка -0.1 МГц за десятилетие.

Научная новизна

Для анализа трендов был разработан новый метод «Дельта» и существенно модифицирован метод трендов.

Эти два метода основываются на предположении, что в период 1958-1980 гг. не было трендов ионосферных параметров и этот период может рассматриваться как «эталонный». Это предположение базируется, во-первых, на логике, т. к. мы ищем изменения, вызванные антропогенными воздействиями, а они стали проявляться после 1980 г. (В начале 1980-х годов появились указания на уменьшение количества озона, а в 1985 г. была обнаружена «озонная дыра» над Антарктидой, с середины 1980-х годов обратили внимание на рост количества парниковых газов и ВМО начало

Программу по изучению их влияния, которое позже назвали «парниковым эффектом»). А во-вторых, указанное предположение, основывается на ряде данных, показывающих, что изменения ионосферных параметров начались после 1980 г.

Метод трендов заключается в том, что для периода 1958-1980 гг. строится зависимость foF2 или hmF2 от индекса солнечной активности F10.7, которая считается «эталонной», затем для периода после 1980 г. находятся отклонения АfoF2 или АИтГ2 измеренных величин foF2 или ИтГ2 от указанной «эталонной» зависимости для каждого года. Затем эти величины сглаживаются с окном в 11 лет, и полученные сглаженные величины наносятся на график, как функция года. Наклон линейной аппроксимации полученной зависимости дает искомый тренд kfoF2) или k(hmF2) для foF2 или hmF2, соответственно.

Метод «Дельта», разработанный автором, для определения знака трендов foF2 и hmF2 и их примерной величины, основан не на получении непосредственно величины тренда, представляющего собой скорость изменения foF2 в год, а на анализе величины «Дельта», характеризующей среднее изменение foF2 от «эталонного» периода до выбранного более позднего периода. Преимущество этого метода заключается в том, что при его использовании можно получить знак тренда и его приблизительную оценку не делая дополнительного сглаживания величин.

Важной особенностью исследования явилось то, что для каждой ситуации (станция, сезон, местное время) использовались несколько баз данных, которые дали согласующиеся между собой отрицательные тренды.

Проведенный автором анализ данных для всех проанализированных станций показал, что наблюдаются статистически значимые отрицательные тренды foF2 и hmF2 в период последних двух десятилетий. Тренды foF2 демонстрируют ярко выраженный сезонный ход - они максимальны в весенне-зимний период и минимальны (близки к нулю) летом. Зимой тренды foF2 демонстрируют хорошо выраженный суточный ход - они максимальны в

околополуденные часы и минимальны ночью. Проведенный анализ знака трендов foF2 и их сезонных вариаций, проведенный при непосредственном участии автора, позволил сделать важный вывод о том, что в последние десятилетия происходило систематическое уменьшение концентрации атомного кислорода в термосфере.

Цель и задачи работы

Цель исследования состояла в том, чтобы определить долговременные тренды параметров слоя F2, foF2 и hmF2, и характер их изменения со временем.

Была поставлена задача - найти в различных базах ионосферных данных достаточно длинные ряды измеренных величин foF2 и М3000 (по которой вычисляется hmF2) для различных ионосферных станций и определить долговременные тренды этих параметров, используя оба указанных выше метода.

Положения, выносимые на защиту:

- разработка метода «Дельта» для определения знака трендов foF2 и hmF2 и их примерной величины;

- для всех проанализированных станций наблюдаются отрицательные тренды foF2 и hmF2 в течение двух последних десятилетий;

- тренды foF2 демонстрируют ярко выраженный сезонный ход - они максимальны в весенне-зимний период и минимальны (близки к нулю) летом;

- зимой тренды foF2 демонстрируют хорошо выраженный суточный ход - они максимальны в околополуденные часы и минимальны ночью;

- количество атомного кислорода в термосфере в последние десятилетия систематически уменьшается.

Апробация работы

Основные результаты, включающие тренды foF2 и hmF2 и вывод об уменьшении в термосфере количества атомного кислорода, докладывались на 7-м Международном Симпозиуме по долговременным изменениям и трендам в

атмосфере (Буэнос-Айрес, Аргентина, 11-14 сентября 2012 г.) и были затем опубликованы в журнале J. Geophysical Research.

Результаты работы также неоднократно были представлены на конференциях молодых ученых в Институте прикладной геофизики им. Е.К. Федорова с участием специалистов по гелиогеофизике и охране окружающей среды из других учреждений Росгидромета.

Результаты диссертации докладывались также на семинарах и заседаниях Учёного совета ФГБУ «ИПГ».

Публикации по теме диссертации

Было опубликовано 18 статей по теме диссертации, в том числе 14 из них включенные в перечень ВАК.

Личный вклад автора

Поиск различных банков экспериментальных данных по foF2 и M3000 (hmF2), выбор соответствующих массивов, их обработка и очистка от ошибочных данных, подготовка исходных массивов данных для дальнейших расчетов.

Критический анализ исходных данных, использованных другими авторами, и их корректировка с учетом выбора правильной длины ряда, а также суточных и сезонных вариаций трендов foF2.

Разработка метода «Дельта».

Участие в совершенствовании и окончательной формулировке метода трендов.

Участие в расчетах линейных трендов, их анализе, сопоставлении с результатами других исследователей, написании статей.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

В первой главе описаны подходы к выбору исходных данных, их проверки и очистки от ошибочных величин. Описан метод определения трендов foF2 и hmF2 (метод трендов) и приведены величины трендов, полученные указанным методом.

Во второй главе приведены суточные и сезонные вариации трендов foF2, полученные на основании анализа банка медиан foF2.

В третьей главе рассматривается влияние на тренды foF2 глубокого минимума солнечной активности 2008-2009 гг.

В четвертой главе обсуждаются основные причины различий в трендах foF2 и hmF2, полученных разными группами авторов.

В пятой главе описывается принципиально новый метод «Дельта», позволяющий определять знак трендаfoF2 и его среднюю величину.

Общий объем диссертации: 115 страниц, включая 39 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 67 наименований.

ГЛАВА 1. ТРЕНДЫ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ И ВЫСОТЫ СЛОЯ F2

1.1 Проблема исходных данных

Одной из главных проблем при поисках долговременных трендов различных атмосферных и ионосферных параметров является нахождение достаточно длинных рядов однородных надежных исходных данных. Эта проблема частично уже рассматривалась в публикациях [Данилов, 2011; Данилов и Ванина-Дарт, 2010б], однако здесь необходимо рассмотреть ее более подробно, поскольку, как будет показано ниже, результаты (тренды foF2) в значительной мере зависят от выбора исходного массива данных, используемых для анализа. Анализ трендов параметров слоя F2 проводился различными группами авторов неоднократно. Эти работы будут подробно рассмотрены ниже в главе 4. При этом использовались либо данные какой-нибудь одной станции, либо данные из банка данных в формате IWG, которые были собраны в Boulder Space Data Center и выпущены в 2000 г. в виде CD-ROM диска. На этом диске представлены данные для нескольких десятков станций за период их работы до 1999 г., если, конечно, (как это произошло с рядом станций Тихоокеанского региона), они не прекратили работу раньше — в середине 80-х годов. Подавляющее большинство исследований трендов foF2 и hmF2, проведенных различными группами авторов, охватывали периоды до 2000 г., поэтому проблем с нахождением исходных данных в этих исследованиях не возникало. Например, для известного коллективного

эксперимента, возглавлявшегося Я. Ластовичка [Lastovicka et al., 2006] использовались данные ст. Juliusruh за период 1977-1997 гг.

Для целей данной работы требовались данные по foF2, охватывающие первое десятилетие нового века (желательно до 2010 г.). Кроме того, ряд исходных данных должен был начинаться в 1957-1958 гг. (что и имеет место для большинства станций, поскольку они открывались в период Международного Геофизического Года). Последнее требование связано с тем, что в этом исследовании, для исключения эффекта солнечной активности в поведении foF2 и hmF2, строились регрессионные зависимости для периода 1957/1958 - 1980 гг., когда по нашим представлениям эффект долговременных трендов отсутствовал.

1.2 Метод анализа

Метод выделения трендов параметров слоя F2, использовавшийся в данной работе, неоднократно описывался в публикациях Данилова и Константиновой [2013 a, 2015a]. Метод основывался на подходе, использовавшемся ранее Даниловым и Ваниной-Дарт [2010б] и представлял собой модификацию этого подхода в нескольких аспектах.

Ключевым моментом используемого метода является предположение о том, что до примерно 1980 г. не было заметных систематических изменений (трендов) параметров слоя F2. Неизбежен вопрос о том, почему систематические изменения всех проанализированных параметров начинаются около 1980 г. Ответа на этот вопрос пока нет. Аргументы, позволяющие сделать это предположение, приводились в работах диссертанта неоднократно [Danilov and Konstantinova, 2013; Данилов, Константинова, 2012; 2013а; 2013б]. Необходимо привести здесь эти аргументы, добавив несколько новых.

Следует отметить, что в различных публикациях встречаются указания на изменения параметров ионосферы и термосферы, начиная с 1970-х годов. Эммерт и др. [Emmert et al., 2001] обнаружили систематические изменения параметров термосферных ветров в течение предыдущих десятилетий на основе измерений прибором WINDII. Портнягин и др. [Portnyagin et al., 2006] нашли изменения в преобладающем ветре в 1980-е годы. В работе [Mikhailov, 2006] было найдено, что после примерно 1972 г. (в отличие от 40-60-х годов) изменение со временем величин hmF2 нельзя описать долговременными вариациями геомагнитной активности. Михайлов [Mikhailov, 2006] объяснил изменение в поведении со временем величины hmF2 ростом количества парниковых газов в атмосфере. В работе [Bremer, 2006] были обнаружены изменения трендов ионосферных слоев F1 и E около 1979 г. Стоит напомнить также, что заметное уменьшение количества стратосферного озона (включая весеннее понижение в Антарктике) началось в начале 1980-х годов.

Ниже приводится рисунок 1.1, взятый из работы Donaldson et al. [2010]. Он наглядно иллюстрирует тот факт, что существенное уменьшение ионной температуры, измеренной методом некогерентного рассеяния (НР) на ст. Saint-Santin, началось именно около 1980 г. Donaldson et al. [2010] подчеркивают этот факт и ссылаются на публикацию [Данилов, Ванина-Дарт, 2010a], из которой взят рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 показывает, что параметр S, характеризующий поведение foF2 (за деталями мы отсылаем читателя к указанной работе), остается практически неизменным до 1975-1980 гг., но резко меняет свое поведение после этого периода.

Возвращаясь к данным НР на ст. Saint Santin, подчеркнем, что согласно Donaldson et al. [2010] тренд в ионной температуре Т начал проявляться примерно с 1979 г. Если брать интервал наблюдений с 1968 г. по 1979 г., величина тренда Т оказывается существенно ниже (минус 0.5 К в год), чем если брать интервал с 1979 г. (минус 5 К в год). Этот результат очень важен для

обсуждаемой концепции, положенной в основу поисков трендов параметров ионосферных слоев.

На начало изменений параметров слоя F2 около 1980 г. указывают и данные других измерений методом НР. Zhang and Holt [2011] также подчеркивали, что три группы данных НР (включая и измерения в Saint Santin) дают начало изменений в слое F2 около 1980 г.

1060 1050 1040 1030 1020 ^ 1010 ^ 1000 990 980 970 960 950

1970 1975 1980 1985

Годы

Рисунок 1.1 - Изменения ионной температуры со временем по измерениям на установке НР в Saint-Santin согласно Donaldson et al. [2010].

Рисунок 1.2 - Изменение со временем параметра S (ст. Свердловск, январь-февраль).

Важный результат, имеющий прямое отношение к обсуждаемой проблеме и приведенный на рисунке 1.3, был получен Bremer [2008]. Усреднив данные наблюдений на 45 среднеширотных станциях, он получил, что до 1980 г. изменение со временем величины tSfoE ничтожно мало и соответствует практически нулевому тренду foE. В то же время в интервалах 1979-1995 гг. и 1995-2005 гг. указанное изменение хорошо выражено и соответствует положительному тренду 0.028 и 0.024 МГц в год. В то же время, линейная аппроксимация всего массива данных дает значительно меньший тренд (+0.0013 МГц в год). Рисунок 1.3 является прекрасным подтверждением рассматриваемой концепции «эталонного» периода 1957-1980 гг., проявляющейся в различных ионосферных параметрах.

В работах, где исходными данными служили данные системы SPIDR, был использован в качестве индекса солнечной активности среднегодовой индекс F10.7, как это делалось в большинстве работ других авторов по поиску трендов параметров ионосферных слоев (см., например, Bremer et al. [2012]; Cnossen and Franzke [2014]). Однако при работе с месячными медианами foF2, мы

использовали 12-месячный сглаженный индекс F10.7i2, аналогично тому, как это делается в широко известной модели International Reference Ionosphere (IRI) для индекса солнечной активности R12 [Bilitza, 1990].

Для периода 1958-1980 гг., который считается «эталонным», строится зависимость foF2 и hmF2 от индекса солнечной активности F10.7. Эта зависимость, как правило, хорошо выражена и имеет высокий коэффициент определенности R2, превышающий 0.9 и дающий статистическую значимость по критерию Фишера более 95% (в большинстве случаев —99% и выше).

Примеры «эталонной» зависимости критической частоты foF2 от F10.7 для ст. Slough (июнь/июль) для 14:00 LT и высоты максимума слоя F2 hmF2 от F10.7 для ст. Boulder (январь/февраль) для ситуации SS+2 приведены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.3 - Изменение bfoE согласно Bremer [2008] в различных временных интервалах.

а)

б)

8.0- 1957-1979

+

со со

Si 320 S

280

400

80 120 160 200 240 F10.7

40 80 120 160 200 240 F10.7

Рисунок 1.4 - а) Зависимость величины foF2(14) от индекса солнечной активности F10.7 для ст. Slough; б) Зависимость величины hmF2(SS+2) от

индекса солнечной активности F10.7 для ст. Boulder. Точки - исходные данные, кривая - аппроксимация полиномом 3-й степени, используемая для избавления от эффекта солнечной активности в более поздние годы.

Для периода после 1980 г. находились отклонения AfoF2 или AhmF2 измеренных величин foF2 или hmF2 от указанной «эталонной» зависимости для каждого года. Эти величины сглаживались с окном в 11 лет, и полученные сглаженные величины наносились на график как функция года. Наклон линейной аппроксимации полученной зависимости давал искомый тренд k(foF2) или k(hmF2) для foF2 или hmF2, соответственно.

Детальное исследование показало, что имеются три источника ионосферных данных, в которых в принципе можно найти величин критических частот foF2 и параметра М3000, который затем использовался для расчета hmF2, для всего периода от 1957/1958 до 2010 г. Одним из таких

1.3 Выбор исходных данных

источников является система SPIDR (Space Physics Interactive Data Resource). Другим, принципиально независимым от SPIDR, источником является система месячных медиан. Третьим источником, в определенной мере связанным и с данными в IWG формате, и с медианами, и с данными SPIDR, является опубликованный в 2012 г. банк Дамбольдта и Суссмана [Damboldt and Suessmann, 2012] (www.ips.gov.au/IPSHosted/INAG/web-73/index.html). В данном параграфе будут рассмотрены эти источники с точки зрения получения данных по foF2. Проблема данных по hmF2 еще более сложна и будет подробно рассмотрена ниже в данной главе.

В системе SPIDR для довольно многих станций есть данные по foF2 до 2010 г. Но лишь для нескольких станций есть данные за достаточно ранние годы, которые, как указывалось выше, нужны нам для построения регрессионных зависимостей foF2 от индекса солнечной активности F10.7. Этот «недостаток» системы SPIDR можно исправить, комбинируя данные этой системы с данными в IWG формате, упомянутые выше. Однако при детальном анализе выяснилось, что данные системы SPIDR обладают более существенным недостатком - там встречаются ошибочные данные - повторы, когда, например, для всех часов данного дня указана одна и та же критическая частота. Пример данных из системы SPIDR для 19 июня 1981 г. на ст. Ташкент приведен в таблице 1.1. Очевидно, что величина foF2, равная 7.90 МГц, наблюдаться неизменной в течение 12-ти часов не может.

Природа подобных ошибок в данных SPIDR нам неизвестна, но очевидно, что такие ошибки, если они попадают на выбираемые нами для анализа месяцы и моменты времени суток, могут привести к ошибкам в получаемых результатах. Диссертантом была разработана программа, которая позволяет в ряде случаев исключать длинные серии одинаковых величин foF2. В приведенном ниже анализе мы обозначали этот источник данных как SPIDRC (от английского слова corrected). Однако, поскольку автоматическая «очистка» данных SPIDR может в каких-то случаях нарушать расчеты, используемых для нахождения трендов параметров, мы анализировали и исходные данные

системы SPIDR для периода после 1999 г., в основном комбинируя их с данными в IWG формате или с медианами для более ранних лет.

Таблица 1.1 - Значения критических частот, взятые из банка данных SPIDR для ст. Ташкент для 19 июня 1981 г.

Дата LT foF2, МГц

1981-06-19 12:00 7.90

1981-06-19 13:00 7.90

1981-06-19 14:00 7.90

1981-06-19 15:00 7.90

1981-06-19 16:00 7.90

1981-06-19 17:00 7.90

1981-06-19 18:00 7.90

1981-06-19 19:00 7.90

1981-06-19 20:00 7.90

1981-06-19 21:00 7.90

1981-06-19 22:00 7.90

1981-06-19 23:00 7.90

Банк Дамбольдта и Суссмана (Дамбольдт) фактически представляет собой комбинацию из данных в IWG формате, SPIDR и медиан. Он охватывает период до 2009 г., но содержит гораздо больше пропусков данных, чем три других рассмотренных источника. Для ряда станций (например, Wallops, Томск) использовать банк Дамбольдта и Суссмана для всего временного интервала нельзя.

Таким образом, для нахождения трендов foF2 мы использовали все четыре источника (IWG, SPIDR, медианы и Дамбольдт), комбинируя их для покрытия, по возможности, всего периода с 1957/1958 по 2010 гг.

1.4 Результаты анализа трендов foF2

Как уже указывалось выше, мы использовали «эталонный» период 1957/1958 - 1980 гг. (ниже для краткости мы будем писать 1958-1980 гг., имея в виду, что для станций, для которых имелись данные за 1957 г., они тоже включались в анализ) для построения регрессионной зависимости foF2 от индекса солнечной активности F10.7. При этом мы исходили из двух предположений. Первое - до 1980 г. не было долговременных изменений (трендов) foF2, а потому получаемые зависимости дают нам «чистый» эффект зависимости foF2 от солнечной активности. Второе - нет оснований считать, что с 1980 г. характер зависимости foF2 от солнечной активности (от солнечного ультрафиолетового излучения, которое как раз и характеризует индекс F10.7) изменился. Иначе говоря, все отклонения величин foF2 в более поздние годы от найденной для периода 1958-1980 гг. зависимости foF2 от F10.7 отражают долговременные изменения foF2, не связанные с солнечной активностью (тренды).

Таким образом, для анализа долговременных трендов в данной работе требовались достаточно длинные ряды исходных данных, охватывающие как период 1958-1980 гг., который использовался как «эталонный», так и более поздние периоды, для которых и определялись сами тренды. В результате анализа нескольких банков ионосферных данных удалось найти требуемые ряды данных для 12 среднеширотных станций по foF2 и 10 станций по hmF2. Они и послужили основой для дальнейшего анализа.

Почти весь анализ будет вестись в данной главе в терминах величины ДfoF2 и ДhmF2, которая представляет собой разницу между наблюдаемой в данной ситуации величиной foF2 или hmF2 и ее значением для соответствующего F10.7, полученного в «эталонной» зависимости для 19581980 гг. Особо отметим важность двух лет - 1957 и 1958 гг. В эти годы среднегодовой индекс F10.7 составлял ~ 230, и это позволяло построить

«эталонную» зависимость для широкого интервала величин ^10.7 от 60-70 до 230. Для двух из проанализированных в этой главе станций (Grahamstown и Ташкент), однако, данные по foF2 начинаются позже. В этом случае зависимость foF2 от F10.7 охватывала более узкий интервал величин F10.7 до ~190.

Мы рассматриваем поведение величин foF2 для двух сезонов (январь-февраль и июнь-июль) и двух моментов суток. Первый момент соответствует 14:00 LT, а второй ^+2) - моменту через два часа после захода Солнца. Причины выбора именно этих моментов кратко состоят в том, что в дневное время мы ожидаем более сильного влияния аэрономических параметров на возможные тренды foF2 и hmF2, а через 1-2 ч. после захода Солнца должно быть наиболее сильно влияние на эти параметры динамических процессов.

В силу описанных в предыдущем параграфе трудностей с нахождением исходных данных, мы для каждой из четырех ситуаций (14:00 LT, зима; 14:00 LT, лето; SS+2, зима; и SS+2, лето; для краткости мы будем обозначать их 14JF, 14Л, SSJF и SSJJ) независимо проводили процедуру поиска трендов, используя несколько источников. Это могли быть «чистый» SPIDR, «чистый» Дамбольдт, «чистые» медианы, или комбинации этих банков с данными в IWG формате для периода до 1999 г. Каждую комбинацию ситуации и источника мы для краткости будем называть позицией.

Как указывалось выше, мы использовали скользящее сглаживание с 11-летним окном и полученное сглаженное значение относилось к середине рассматриваемого интервала. Мы брали величины tfoF2 с 1985 г. до конца имеющегося для данной ситуации ряда данных (ряды, кончающиеся ранее 2006 г. нами не рассматривались). При этом мы получали ход сглаженных величин tfoF2 с 1990 г. до, в лучшем случае, 2005 г. В худшем случае сглаженные точки кончались в 2001 г. Таким образом, при рассмотрении рисунков в данном параграфе следует иметь в виду, что, хотя точки кончаются в первой половине первого десятилетия нового века, реально они отражают поведение критической частоты до последних лет этого десятилетия.

Похожие диссертационные работы по специальности «Физика атмосферы и гидросферы», 25.00.29 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Константинова, Анна Владимировна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

- Гивишвили, Г.В. Долговременные вариации содержания атомарного кислорода в верхней атмосфере / Г.В. Гивишвили, В.Н. Шубин // Геомагнетизм и Аэрономия. -1994. -Т.34 -№ 4. - С.169-173.

- Данилов, А.Д. Вариации foF2 и hmF2 в конце 90-х и начале 2000-х годов

/ А.Д. Данилов // Геомагнетизм и аэрономия. -2011. - Т. 51.- № 3. С. 325-332.

- Данилов, А.Д. Вариации foF2 в конце 90-х и начале 2000-х годов по

медианным данным / А.Д. Данилов // Геомагнетизм и аэрономия. - 2011. -Т. 51. - № 6. - С. 769-777.

- Данилов, А.Д. Долговременные тренды в верхней атмосфере и ионосфере (обзор) / А.Д. Данилов // Геомагнетизм и аэрономия. -2012. -Т. 52. -№ 3. - С. 291-312.

- Данилов, А.Д. Пространственные и временные вариации отношения /¿^2(ночь)//^2(день): уточнение ряда эффектов / А.Д. Данилов, Л.Б. Ванина-Дарт // Геомагнетизм и аэрономия. -2008. - Т. 48. - № 2. -С.228-240.

- Данилов А.Д. Разброс величин hmF2 как индикатор трендов

термосферной динамики / А.Д. Данилов, Л.Б. Ванина-Дарт // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. - Т. 49. - № 1. - С.58-62.

- Данилов, А. Д. Сравнение величин foF2 в дневное время и после захода Солнца / А.Д. Данилов, Л.Б. Ванина-Дарт // Геомагнетизм и аэрономия. -2010а. - Т. 50. - № 1. - С. 61-66.

- Данилов, А.Д. Параметры ионосферного слоя F2 как источник информации о

трендах динамики термосферы / А.Д. Данилов, Л.Б. Ванина-Дарт // Геомагнетизм и аэрономия. - 2010б. - Т. 50. №2 2. С. 195-208.

- Данилов, А.Д. Поведение foF2 и hmF2 после захода Солнца / А.Д. Данилов,

Л.Б. Ванина-Дарт // Геомагнетизм и аэрономия. - 2010в. - Т. 50. - № 6. - С. 825-832.

- Данилов, А.Д. Определение параметров турбулентности на высотах нижней термосферы / А.Д. Данилов, Ю.А. Калгин // Геомагнетизм и аэрономия. - 1997. - Т. 37. - № 1. - С. 203-205.

- Данилов, А.Д. Вариации foF2 в конце 90-х и начале 2000-х годов по данным банка SPIDR / А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. -2012. -Т. 52. - № 3. - С. 372-377.

- Данилов, А.Д. Поведение параметров ионосферного слоя F2 на грани веков. 1. Критическая частота / А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. - 2013а. - Т. 53. № 3. - С. 361-372.

- Данилов, А. Д. Поведение параметров ионосферного слоя F2 на грани веков. 2. Высота слоя / А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. -2013б. - Т. 53. -№ 4. - С. 486-499.

- Данилов, А.Д. Соотношение между изменениями foF2 и hmF2 в

различных временных интервалах / А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. - 2013в. - Т. 53. - № 5. - С. 671-676.

- Данилов, А.Д. Уменьшение количества атомного кислорода в верхней

атмосфере / А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. - 2014а. - Т. 54. - № 2. - С. 239-245.

- Данилов, А.Д. Связь трендов foF2 и hmF2 с географическими и

геомагнитными координатами / А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. - 2014б. - Т. 54. - № 3. - С. 348-354.

- Данилов, А.Д. Вариации трендов foF2 сезоном и временем суток/ А.Д. Данилов, А.В. Константинова // Геомагнетизм и аэрономия. -2015a. - Т. 55. - № 1. С. 56-63.

- Охлаждение и оседание средней и верхней атмосферы. Междунар. рабочее совещ., Москва, 6-10 июля 1998 г., ГЦ РАН, 44 с. 1998.

- Шефов Н.Н. Излучение верхней атмосферы - индикатор ее структуры и

динамики. / Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. -М: - ГЕОС, 2006. -741 с.

- Bilitza, B. International Reference Ionosphere 1990 / Dieter Bilitza, K. Rawer,

L. Bossy, I. Kutiev, K.-I. Oyama, R. Leitinger, E. Kazimirovsky // Technical Report NSSDC/WDC-A-R&S 90-22. -1990. Greenbelt, Maryland 20706: National Space Science Data Center. -150 p.

- Bremer, J. Trends in the ionospheric E and F regions over Europe // Ann.

Geophysicae. -1998. -V. 16. - pp. 986-996.

- Bremer, J. Trends in the thermosphere derived from global ionosonde

observations // Adv. Space Res. - 2001. -V. 28. -N 7. pp. 997-1006.

- Bremer, J. Long-term trends in the ionospheric E and F1 region // Paper

th

presented at 4 IAGA/ICMA/CAWSES Workshop "Long Term Changes and Trends in the Atmosphere", Sodankyla (Finland). 2006.

- Bremer, J. Long-term trends in the ionospheric E and F1 regions // Ann.

Geophys. - 2008. -26. -pp. 1189-1197.

- Bremer, J., Damboldt, T., Mielich, J., Suessmann, P. Comparing long-term

trends in the ionospheric F2 region with two different methods // J. Atm. Sol.-Terr. Phys. - 2012. -V. 77. pp. 174-185.

- Cnossen, I., Franzke, C. The role of the Sun in long-term change in the F2

peak ionosphere: new insights from EEMD and numerical modeling // J. Geophys. Res. Space Physics. - 2014. -V.119. -pp. 8610-8623.

- Cnossen, I., Richmond, A.D. Changes in the Earth's magnetic field over the

past century: Effects on the ionosphere-thermosphere system and solar quiet (Sq) magnetic variations // J. Geophys. Res. - 2013. -V. 118. - № 2. -P. 849858.

- Damboldt, T. Consolidated Database of Worldwide Measured Monthly

Medians of Ionospheric Characteristics foF2 and M(3000)F2 / T. Damboldt, and P. Suessmann // INAG Bulletin on the Web. INAG-73. - 2012.

- Danilov, A.D. Long-term trends in the relation between daytime and nighttime

values of foF2 / A.D. Danilov // Ann. Geophys. 2008. -V. 26. -№ 5. -P. 1199-1206.

- Danilov, A. D. Scatter of hmF2 values as an indicator of trends in

thermospheric dynamics / A.D. Danilov // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2009. -V. 71. -P. 1586-1591.

- Danilov A.D. Time and spatial variations on the ratio of nighttime and daytime

critical frequencies of the F2 layer / A.D. Danilov // J. Atmos. Solar.Terr. Phys. - 2008. - V. 70. - N 8-9. -P. 1201-1212.

- Danilov, A.D. Ionospheric F region response to geomagnetic disturbances /

A.D. Danilov // Adv. Space Res. - 2013. - V. 52. - № 3. - P. 343-366.

- Danilov, A.D. Seasonal and latitudinal variations of eddy diffusion coefficient in the

mesosphereand lower thermosphere / A.D. Danilov, Yu. A. Kalgin // J. Atmos. Terr. Phys. - 1992. -V. 54. № 11/12. - P. 1481-1489.

- Danilov, A.D. Eddy diffusion studies in the lower thermosphere / A.D. Danilov,

Yu.A. Kalgin // Adv. Space Res. -1996. -V. 17. -№2 11. P. 17-24.

- Danilov, A.D., Konstantinova A.V. Trends in the F2 layer parameters at the end of the

1990s and the beginning of the 2000s / A.D. Danilov, A.V. Konstantinova // J. Geophys. Res. - 2013. -V. 118. doi:10.1002/jgrd.50501.

- deHaro B.F. foF2 long-term trends for periods including solar cycle 23 / B.F deHaro,

A.G. Elias, K. Shibasaki, J.R. Sousa // Abstr. 8th IAGA/ICMA/CAWSES Workshop

on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere, 27-31 July 2014, Cambridge, England. - 2014. - P. 24.

- Donaldson, J.K. Long-term change in thermospheric temperature above Saint Santin /

J.K. Donaldson, T.J. Wellman, W.L. Oliver // J. Geophys. Res. - 2010. - V. 115. A11305. doi:10.1029/2010JA015346.

- Elias, A. The effect of the dip equator secular displacement on low-latitude

foF2 long-term variations / A. Elias, D.A. Gnabahou, F. Ouattara // Abstr. 8th IAGA/ICMA/CAWSES Workshop on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere, 27-31 July 2014, Cambridge, England. - 2014. - P. 26.

- Emmert, J.T. Climatology of middle- and low-latitude daytime F-region

disturbance in neutral wind measured by Wind Imaging Interferometer (WINDII) / J.T. Emmert, B.G. Fejer, C.D Fesen., G.G. Sheperd, B.H. Solheim // J. Geophys. Res. - 2001. - V. 106. - N. 24. - P. 701-712.

- Emmert, J.T. Thermospheric global average density trends 1967-2007, derived

from orbits of 5000 near-Earth objects / J.T. Emmert, J.M. Picone, R.R. Meier // Geophys. Res. Lett. -2008. -V. 35, L05101. doi:10.1029/2007GL032809.

- Fagre, M. On some consequences of upper atmosphere cooling over HF signal

propagation / M. Fagre, B.S. Zossi, Z Saavedra, A. G. Elias // 10-th Workshop on Long-Term Change and Trends in the Atmosphere. Hefei, China, May 14-18. -2018.

- Golitsyn G.S Long-term temperature in the middle and upper atmosphere /

G.S. Golitsyn, A.I. Semenov, N.N. Shefov, L.M. Fishkova, E.V. Lysenko, S.P. Perov // Geophys. Res. Lett.-1996. -V. 23. -№ 14. -P. 1741-1744.

- Gnabahou, D.A. Long-term trend offoF2 at a west African equatorial stantion /

D.A.Gnabahou, A.G. Elias // Abstr. 7th IAGA/ ICMA/CAWSES Workshop on Long-Term Changes 4 and Trends in the Atmosphere, 11-14 September, 2012 Buenos Aires, Argentina. -2012. - P. 53.

- Hierl, P.M. Rate constants for the reactions of O+ with N2 and O2 as a function

of temperature (300-1800 K) / P.M. Hierl, I. Dotan, J.V. Seeley, J.M. Van Doren, R.A. Morris, and A.A. Viggiano // J. Chem. Phys. -1997. -V. 106. -P. 3540. doi:10.1063/1.473450.

- Khaitov, R. Seasonal, diurnal variations in critical frequency in the F2layer

over middle latitudes / R. Khaitov, S. Kolesnik, V. Sarychev // Abstr. 7th IAGA/ICMA/CAWSE Workshop on Long Term Changes and Trends in the Atmosphere, 11-14 September, 2012, Buenos Aires, Argentina. -2012. - P. 50.

- Lastovicka, J. Global pattern of trends in the upper atmosphere and ionosphere:

Recent progress/ J. Lastovicka // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. -2009. -V. 71. -P. 1514-1528.

- Lastovicka, J. A review of recent progress in trends in the upper atmosphere/

J. Lastovicka // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. -2017. -V. 163. -P. 2-13.

- Lastovicka, J., Long-term trends in foF2: a comparison of various methods /

J. Lastovicka, A.V. Mikhailov, T. Ulich, J. Bremer, A.G. Elias, N. Ortiz de Adlere, V. Jara, R. Abarca del Rio, A.J. Foppiano, E. Ovalle, A.D. Danilov // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 2006. -V. 68. - N 17. -P. 1854-1870.

- Lastovicka, J. Emerging pattern of global change in the upper atmosphere and

ionosphere / J. Lastovicka, R.A. Akmaev, G. Beig, J. Bremer, J.T. Emmert, C. Jacobi, M.J. Jarvis, G. Nedoluha, Y.I. Portnyagin,, T. Ulich, // Ann. Geophys. - 2008. - V. 26. pp. 1255-1268.

- Lastovicka, J. Trends in the neutral and ionized upper Atmosphere /

J. Lastovicka, S. C. Solomon, L. Qian, // Space Sci. Rev. - 2012. -V. 168.-P.113-145.

- Mielich, J. Long-term trends in the ionospheric F2 region with two different

solar activity indices / J. Mielich, J. Bremer // Ann. Geophys. 2013. - V. 31. -P. 291-303.

- Mikhailov, A. V. Trends in the ionospheric ^-region / A. V. Mikhailov //

Phys. Chem. Earth. - 2006. -V. 31. -P. 22-23.

- Portnyagin, Yu. I. Long-term trends and year-to-year variability of midlatitude

mesosphere/lower thermosphere winds / Yu. I Portnyagin, E. G. Merzlyakov, T. V. Sokolova, T. V Jacobi., D. Kurschner, A. Manson, C. Meek // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 2006. - V. 68. - P. 1890-1901.

- Qian, L. Progress in observations and simulations of global change in the upper

atmosphere / L. Qian, Lastovicka J., R. Roble, S. Solomon // J. Geophys. Res. - 2011. -V. 116. A00H03. doi:10.1029/2010JA016317.

- Qian, L. Secular changes in the thermosphere and ionosphere between two

quiet Sun periods / Qian, L., Solomon S.C., Roble, R.G. // J. Geophys. Res. -2014. -V. 119. - № 3. -P. 2255-2262.

- Richards, P.G. Reexamination of ionospheric photochemistry / P.G. Richards //

J. Geophys. Res., - 2011.-V. 116. -№ A08307. doi:10.1029/2011JA016613.

- Rishbeth, H. A greenhouse effect in the ionosphere? / H. Rishbeth // Planet.

Space Sci. - 1990. - V. 38. - N 7. - P. 945-948.

- Rishbeth, H. How the thermospheric circulation affects the ionospheric F2

layer. / H. Rishbeth // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 1998. -V. 60. - P. 13851402.

- Rishbeth, H. Cooling of the upper atmosphere by enhanced greenhouse gases -

modelling of thermospheric and ionospheric effects / H. Rishbeth, R.G. Roble // Planet. Space Sci. -1992. -V.40. - P. 1011-1026

- Roble, R.G. How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean

structure of the mesosphere and thermosphere? / R.G. Roble, R.E. Dickinson // Geopysycal Research Letters. -1989. - V. 16. - Issue 12. - pp. 1441-1444

- Rojas Villaba, E. A longterm trend study of the F-region peak height above

Jicamarca / Rojas Villaba E., Milla M. //Abstr. 7th IAGA/ICMA/CAWSES

Workshop on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere, 11-14 September, 2012, Buenos Aires, Argentina. - 2012. - P. 34.

- Roinen, L. Time-varying ionosonde trend: Case study of Sodankula

Observatory hmF2 / L. Roinen, T. Ulich, M. Laine, N. Rey, H.I. Rouset // Abstr. 8th IAGA/ICMA/CAWSES Workshop on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere, 27-31 July 2014, Cambridge, England. - 2014. -P. 40

- Sharma, K., Chandra, S. Long term changes in the ionosphere at low latitudes:

impact of greenhouse gases / K. Sharma, S. Chandra // Abstr. 7th IAGA/ICMA/CAWSES Workshop on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere, 11- 14 September, 2012, Buenos Aires, Argentina. - 2012.- P. 31.

- Shimazaki, T. World wide daily variations in the height of the maximum

electron density in the ionospheric F2 layer / T. Shimazaki // J. Radio Res. Labs. (Japan). -1955. - V. 2. - P. 85-97.

- Solomon, S. C. Whole atmosphere simulation of anthropogenic climate change

/ S. C. Solomon , H.-L. Liu, D. R. Marsh, J. M. McInerney, L. Qian, F. M.Vitt // Geophysical Research Letters. -2018. -V. 45.

https://doi.org/10.1002/2017GL076950

- Zhang, S.R. Millstone Hill ISR observations of upper atmospheric long-term

changes: Height dependency / S.R. Zhang, J.M. Holt, J. Kurdzo // J. Geophys. Res. V. 116. A00H05; doi: 10.1029/2010JA016414. 2011.

- ITU. Recommendations ITU-R P. 1239-2. ITU-R Reference Ionosphere

Characteristics. Geneva. 2009.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.