ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 4. С. 249-262

Исследование сезонных вариаций ионосферной возмущенности по данным GPS/ГЛОНАСС над регионами Восточной Сибири и Дальнего Востока

А.С. Ясюкевич 1 , М.А. Черниговская 1 , А.А. Мыльникова 1 , Б.Г. Шпынев 1 , Д.С. Хабитуев 1 
1 Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия
Одобрена к печати: 25.05.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-4-249-262
Выполнено исследование ионосферной возмущенности на основе анализа вариаций вертикального полного электронного содержания (ПЭС) над регионами Восточной Сибири и Дальнего Востока за период 2002–2015 гг. Данные ПЭС получены по измерениям фазовых двухчастотных приемников GPS/ГЛОНАСС. Ионосферная возмущенность изучалась на основе анализа коэффициента вариаций ПЭС в дневное время, представляющего собой нормированную дисперсию ПЭС и отражающего активность внутренних гравитационных волн (ВГВ) в ионосфере. Проанализированы сезонные вариации волновой возмущенности ионосферы и вариации, связанные с изменениями гелио-геомагнитной активности. Выявлены существенные изменения коэффициента вариаций ПЭС в течение года. Наименьшие значения коэффициента вариаций ПЭС на всех станциях наблюдаются в летние месяцы. Максимальный уровень вариаций ПЭС регистрируется в зимние периоды и до шести раз превышает уровень ВГВ-активности летом. Данные вариации наблюдаются регулярно, из года в год, и не связаны с изменениями гелио-геофизической обстановки. Предполагается, что анализируемые вариации параметров ионосферы вызваны ВГВ, распространяющимися в термосферу из нижележащей атмосферы. Эти среднемасштабные волновые возмущения генерируются в пространственно неоднородных, высокоскоростных струйных течениях, ассоциированных с зимними циркумполярными вихрями. Анализ данных архива ECMWF Era-Interim показал существенное повышение волновой активности на высотах стратосферы/нижней мезосферы с ноября по февраль всех анализируемых лет. Распространяясь вверх, волновые возмущения осуществляют вертикальный перенос компонентов атмосферы в мезосферу и нижнюю термосферу. Это приводит к изменениям баланса [O]/[N2] и вызывает, как следствие, вариации ионосферных параметров.
Ключевые слова: средняя и верхняя атмосфера, ионосфера, взаимодействие слоев атмосферы, волновые возмущения, ПЭС, GPS, ГЛОНАСС
Полный текст

Список литературы:

  1. Едемский И.К., Воейков С.В., Ясюкевич Ю.В. Сезонные и широтные вариации параметров волновых возмущений МГД-природы, генерируемых солнечным терминатором // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 107–116.
  2. Черниговская М.А., Ратовский К.Г., Шпынев Б.Г. Метеорологические эффекты ионосферной возмущенности над регионом Восточной Сибири по данным вертикального радиозондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 3. С. 39–48.
  3. Шпынев Б.Г., Черниговская М.А., Хабитуев Д.С. Спектральные характеристики атмосферных волн, генерируемых зимним стратосферным струйным течением северного полушария // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 120–131.
  4. Шпынев Б.Г., Черниговская М.А., Куркин В.И., Ратовский К.Г., Белинская А.Ю., Степанов А.Е., Бычков В.В., Григорьева С.А., Панченко В.А., Коренькова Н.А., Лещенко В.С., Мелич Й. Пространственные вариации параметров ионосферы северного полушария над зимними струйными течениями // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 4. С. 204–215.
  5. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Edemskiy I.K., Gavrilyuk N.S., Ishin A.B., Kosogorov E.A., Leonovich L.A., Lesyuta O.S., Palamartchouk K.S., Perevalova N.P., Polyakova A.S., Smolkov G.Y., Voeykov S.V., Yasyukevich Y.V., Zhivetiev I.V. A review of GPS/GLONASS studies of the ionospheric response to natural and anthropogenic processes and phenomena // J. Space Weather and Space Climate. 2013. Vol. 3. P. A27-p19. DOI: 10.1051/swsc/2013049.
  6. Afraimovich E.L., Edemsky I.K., Voeykov S.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. (2009a) Spatio-temporal structure of the wave packets generated by the solar terminator // Advances in Space Research. 2009. Vol. 44. No. 7. P. 824–835. DOI: 10.1016/j.asr.2009.05.017.
  7. Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Leonovich A.S., Leonovich L.A., Voeykov S.V., Yasyukevich Y.V. (2009b) The MHD nature of night-time MSTIDs excited by the solar terminator // Geophysical Research Letters. 2009. Vol. 36. No. 15. P. L15106. DOI: 10.1029/2009GL039803.36.
  8. Buonsanto M.J. Ionospheric Storms — A Review // Space Science Reviews. 1999. Vol. 88. No. 3/4. P. 563–601. DOI: 10.1023/A:100510753263.
  9. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Ratovsky K.G. Meteorological effects of ionospheric disturbances from vertical radio sounding data // J. Atmospheric and Terrestrial Physics. 2015. Vol. 136. P. 235–243. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.07.006.
  10. Chernigovskaya M.A., Shpynev B.G., Ratovksy K.G., Stepanov A.E. The Stratospheric Jet Stream Effects in the High-latitude Ionosphere According to Vertical Radio Sounding Data // PIERS Proc. Prague, Czech Republic, July 6–9, 2015. P. 2562–2566.
  11. Ding F., Wan W., Liu L., Afraimovich E.L., Voeykov S.V., Perevalova N.P. A statistical study of large-scale traveling ionospheric disturbances observed by GPS TEC during major magnetic storms over the years 2003–2005 // J. Geophysical Research. 2008. Vol. 13. P. A00A01. DOI: 10.1029/2008JA013037.
  12. Dow J.M., Neilan R.E., Rizos C. The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems // J. Geodesy. 2009. Vol. 83. P. 191–198. DOI: 10.1007/s00190-008-0300-3.
  13. Dudok De Wit T., Watermann J. Solar forcing of the terrestrial atmosphere // Comptes Rendus Geoscience. 2010. Vol. 342. No. 4. P. 259–272.
  14. Frissell N.A., Baker J.B.H., Ruohoniemi J.M., Greenwald R.A., Gerrard A.J., Miller E.S., West M.L. Sources and characteristics of medium-scale traveling ionospheric disturbances observed by high-frequency radars in the North American sector // J. Geophysical Research. Space Physics. 2016. Vol. 121. P. 3722–3739. DOI: 10.1002/2015JA022168.
  15. Fritts D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere // Reviews Geophysics. 2003. Vol. 41. No. 1. P. 1003–1066. DOI: 10.1029/2001RG000106.
  16. Gardner C.S, Liu A.Z. Wave-induced transport of atmospheric constituents and its effect on the mesospheric Na layer // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. P. D20302. DOI: 10.1029/2010JD014140.
  17. Gerrard A.J., Bhattacharya Y., Thayer J.P. Observations of in-situ generated gravity waves during a stratospheric temperature enhancement (STE) event // Atmospheric Chemistry and Physics. 2011. Vol. 11. No. 22. P. 11,913-11,917. DOI: 10.5194/acp-11-11913-2011.
  18. Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances 1982-1995 // Annales Geophysicae. 1996. Vol. 14. No. 5. P. 917–940.
  19. Hunsucker R.D. Atmospheric gravity waves generated in the high-latitude ionosphere. A review // Reviews of Geophysics and Space Physics. 1982. Vol. 20. No. 2. P. 293–315.
  20. Hunsucker R.D., Hargreaves J.K. The High-Latitude Ionosphere and Its Effects on Radio Propagation. N.Y.: Cambridge University Press, 2003. 617 p.
  21. Laštovička J. Forcing of the ionosphere by waves from below // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2006. Vol. 68. P. 479–497.
  22. Liou K., Newell P.T., Anderson B.J., Zanetti L., Meng C.-I. Neutral composition effects on ionospheric storms at middle and low latitudes // J. Geophysical Research. 2005. Vol. 110. P. A05309. DOI: 10.1029/2004JA010840.
  23. Mukhtarov P., Pancheva D., Andonov B., Pashova L. Global TEC maps based on GNSS data: 1. Empirical background TEC model // J. Geophysical Research. Space Physics. 2013. Vol. 118. P. 4594–4608. DOI: 10.1002/jgra.50413.
  24. Prölss G.W., Werner S. Vibrationally excited nitrogen and oxygen and the origin of negative ionospheric storms // J. Geophysical Research. 2002. Vol. 107. No. A2. P. 1016. DOI: 10.1029/2001JA900126.
  25. Ratovsky K.G., Shi J.K., Oinats A.V., Romanova E.B. Comparative study of high-latitude, mid-latitude and low-latitude ionosphere on basis of local empirical models // Advances in Space Research. 2014. Vol. 54. No. 3. P. 509–516.
  26. Russell C.T., Luhmann J.G., Jian L.K. How unprecedented a solar minimum? // Reviews of Geophysics. 2010. Vol. 48. P. RG2004. DOI: 10.1029/2009RG000316.
  27. Shpynev B.G., Churilov S.M., Chernigovskaya M.A. Generation of waves by jet-stream instabilities in winter polar stratosphere/mesosphere // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2015. Vol. 136. P. 201–215. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.07.005(a).
  28. Shpynev B.G., Kurkin V.I., Ratovsky K.G., Chernigovskaya M.A., Belinskaya A.Yu., Grigorieva S.A., Stepanov A.E., Bychkov V.V., Pancheva D., Mukhtarov P. High-midlatitude ionosphere response to major stratospheric warming // Earth, Planets and Space. 2015. Vol. 67. article id. 18. DOI :10.1186/s40623-015-0187-1(b).
  29. Tsuda T. Characteristics of atmospheric gravity waves observed using the MU (Middle and Upper atmosphere) radar and GPS (Global Positioning System) radio occultation // Proc. Japan Academy. Series B. 2014. Vol. 90. No. 1. P. 12–27.
  30. Vadas S.L. Horizontal and vertical propagation of gravity waves in thermosphere from lower atmospheric and thermospheric sources // J. Geophysical Research. 2007. Vol. 112. P. A06305. DOI: 10.1029/2006JA011845.
  31. Vincent R.A. Gravity wave coupling from below: A review // Climate and Weather of the Sun-Earth System (CAWSES): Selected Papers from the 2007 Kyoto Symposium. Tokyo: TERRAPUB, 2009. P. 279–293.
  32. Whiteway J.A., Duck T.J., Donovan D.P., Bird J.C., Pal S.R., Carswell A.I. Measurements of gravity wave activity within and around the Arctic stratospheric vortex // Geophysical Research Letters. 1997. Vol. 24. No. 11. P. 1387–1390. DOI: 10.1029/97GL01322.
  33. Wu D.L., Waters J.W. Satellite observations of atmospheric variances: A possible indication of gravity waves // Geophysical Research Letters. 1996. Vol. 23. No. 24. P. 3631–3634. DOI: 10.1029/96GL02907.
  34. Yasyukevich Yu.V., Mylnikova A.A., Polyakova A.S. Estimating the total electron content absolute value from the GPS/GLONASS data // Results in Physics. 2015. Vol. 5. P. 32–33. DOI: 10.1016/j.rinp.2014.12.006.
  35. Yiğit E., Medvedev A.S. Internal waves coupling processes in Earth’s atmosphere // Advances in Space Research. 2015. Vol. 55. P. 983-1003.