Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом
Рассмотрено воздействие тропосферной погоды на возбуждение спорадических слоев Е-области ионосферы (Es) над Антарктическим полуостровом на базе экспериментальных данных, полученных на станции "Академик Вернадский" в 1993 - 2005 гг. Исследования проведены путем сравнения условных вероятност...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8380 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом / А.В. Зализовский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 26-38. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859652389627232256 |
|---|---|
| author | Зализовский, А.В. |
| author_facet | Зализовский, А.В. |
| citation_txt | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом / А.В. Зализовский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 26-38. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Рассмотрено воздействие тропосферной погоды на возбуждение спорадических слоев Е-области ионосферы (Es) над Антарктическим полуостровом на базе экспериментальных данных, полученных на станции "Академик Вернадский" в 1993 - 2005 гг. Исследования проведены путем сравнения условных вероятностей наблюдения Es в разных погодных условиях. Вероятность появления как плотных, так и полупрозрачных Es увеличивается в зимние месяцы при низком приземном атмосферном давлении. При положительной северо-восточной проекции приземного ветра, указывающей на фронтальную активность, увеличивается вероятность наблюдения полупрозрачных слоев и уменьшается - плотных. Отмеченные факты объяснены распространением атмосферных гравитационных и планетарных волн (волн Россби) из тропосферы на ионосферные высоты. Вероятность формирования Es зимой увеличивается в фазе минимума давления планетарной волны. Роль атмосферных гравитационных волн состоит в возбуждении мелко- и мезомасштабных плазменных неоднородностей и нарушении регулярной структуры Es.
Розглядається вплив тропосферної погоди на збудження спорадичних шарів Е-області іоносфери (Es) над Антарктичним півостровом на підставі експериментальних даних, отриманих на станції “Академік Вернадський” у 1993–2005 рр. Дослідження виконано шляхом порівняння умовних імовірностей спостереження Es за різних погодних умов. Імовірність появи як щільних, так і напівпрозорих Es збільшується зимовими місяцями за низького приземного атмосферного тиску. Однак за позитивної північно-східної проекції приземного вітру, котра вказує на фронтальну активність, збільшується імовірність спостереження напівпрозорих шарів та зменшується – щільних. Вказані факти можна пояснити поширенням атмосферних гравітаційних та планетарних хвиль (хвиль Россбі) із тропосфери на іоносферні висоти. Імовірність формування Es взимку збільшується у фазі мінімуму тиску планетарної хвилі. Роль атмосферних гравітаційних хвиль полягає у збудженні дрібно- та мезомасштабних плазмових неоднорідностей та порушенні регулярної структури Es.
The impact of tropospheric weather on the generation of sporadic E layers (Es) over the Antarctic Peninsula is considered with the Akademik Vernadsky station experimental data obtained during 1993 thru 2005. The investigation is carried out by comparing the conditional probabilities of Es appearance for various weather conditions. The low surface air pressure increases the probability of appearance of both dense and semi-transparent Es layers in winter months. Meanwhile, the positive North-East wind projection (associated with frontal activity) increases the probability of semi-transparent layers while reducing the repetition of dense ones. The facts outlined can be interpreted as a result of propagation of atmospheric gravity and planetary (Rossby) waves from the troposphere up to ionospheric heights. The probability of Es formation in winter grows in minimal phase of pressure of planetary wave. The role of atmospheric gravity waves consists in exciting of small- and mesoscale plasma irregularities and disturbing the regular Es structure.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:35:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1, с. 26-38
© А. В. Зализовский, 2008
УДК 537.876, 551.510.413.5
Роль тропосферных процессов в формировании
спорадических слоев Е-области ионосферы
над Антарктическим полуостровом
А. В. Зализовский
Радиоастрономический институт НАН Украины,
ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина
E-mail:zaliz@rian.kharkov.ua
Рассматривается воздействие тропосферной погоды на возбуждение спорадических слоев
Е-области ионосферы (Es) над Антарктическим полуостровом на базе экспериментальных данных,
полученных на станции “Академик Вернадский” в 1993-2005 гг. Исследования проводятся путем
сравнения условных вероятностей наблюдения Еs в разных погодных условиях. Вероятность появ-
ления как плотных, так и полупрозрачных Еs увеличивается в зимние месяцы при низком приземном
атмосферном давлении. В то же время при положительной северо-восточной проекции приземного
ветра, указывающей на фронтальную активность, увеличивается вероятность наблюдения полупроз-
рачных слоев и уменьшается – плотных. Отмеченные факты можно объяснить распространением
атмосферных гравитационных и планетарных волн (волн Россби) из тропосферы на ионосферные
высоты. Вероятность формирования Еs зимой увеличивается в фазе минимума давления планетар-
ной волны. Роль атмосферных гравитационных волн состоит в возбуждении мелко- и мезомасштаб-
ных плазменных неоднородностей и нарушении регулярной структуры Еs.
Введение
Изучение особенностей переноса энергии в
атмосфере от поверхности Земли до ионосфер-
ных высот представляет собой весьма актуаль-
ную проблему геофизики. Результаты этих ис-
следований, помимо фундаментального значе-
ния, играют важную роль при анализе и прогнозе
“космической погоды” [1], выяснении физичес-
ких механизмов возникновения откликов и пред-
вестников землетрясений, изучении особенностей
распространения волновых процессов в нейтраль-
ной атмосфере и их трансформации в электро-
магнитные и плазменные колебания и т. д.
Экспериментальные исследования тропос-
ферно-ионосферных связей наиболее удобно
проводить в метеорологически активных регио-
нах планеты, расположенных в средних геомаг-
нитных широтах. В этих областях максимальна
вероятность обнаружения и измерения парамет-
ров ионосферного отклика на тропосферные воз-
мущения относительно спокойных фоновых ва-
риаций ионосферы [2]. Такие условия формиру-
ются у западного побережья Антарктического
полуострова, вблизи которого расположена Ук-
раинская антарктическая станция (УАС) “Ака-
демик Вернадский” с географическими коорди-
натами 65 15′° ю. ш., 64 16′° з. д. и геомагнит-
ными координатами 50.09° ю. ш., 9.32° в. д.
(до 1996 г. станция “Майкл Фарадей”, Великоб-
ритания) [3]. С конца 50-х годов на станции ве-
дутся непрерывные измерения геомагнитного
поля, полного содержания озона в атмосфере,
проводится вертикальное зондирование ионо-
сферы. Метеорологическая обсерватория на
станции постоянно работает с 1947 г.
В настоящей работе исследуется связь спо-
радических слоев (Es) Е-области ионосферы
(высоты 90 150÷ км) с параметрами призем-
ной погоды. На этих высотах динамика ионной
компоненты еще определяется нейтральным
ветром, а электроны уже “замагничены”. Ис-
следованию Es посвящено большое количество
работ различных авторов (см. [4, 5] и библио-
графию к ним). Морфология этих образований
чрезвычайно разнообразна, выделяется около
Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы...
27Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
десятка их типов [6]. Es формируются как ниже,
так и выше максимума электронной концент-
рации Е-области. Es могут быть плотными,
полностью экранирующими вышележащие слои,
и полупрозрачными, сквозь которые “видны”
отражения сигналов от верхней ионосферы.
Большая часть предшествующих исследований
базируется на данных, полученных в северном
полушарии. В настоящей работе рассматрива-
ются Es по многолетним данным вертикально-
го зондирования ионосферы, выполненного
в Антарктике на УАС “Академик Вернадский”.
В статье проанализированы условные веро-
ятности появления Es при разных параметрах
погоды у поверхности Земли. Обсуждаются
экспериментальные результаты и гипотезы о
возможных механизмах воздействия тропо-
сферных возмущений на ионосферу. В частно-
сти, в качестве транспортного агента верти-
кального переноса энергии рассматриваются
атмосферные гравитационные и планетарные
волны (волны Россби).
1. Экспериментальные исследования
Ионосферные данные были получены на
УАС “Академик Вернадский” с помощью ионо-
зонда IPS-42 в период 1993-2005 гг. Параметры
Es оценивались оператором по часовым ионог-
раммам вертикального зондирования ионосфе-
ры по стандартной методике URSI [6]. В про-
цессе первичной обработки фиксировался факт
наличия Es, по следу отражения обыкновенной
волны измерялись его высота, критическая
частота и частота экранирования (минималь-
ная частота эхо-сигнала от F-области, “види-
мая” сквозь Es). Эти данные, наряду с другими
параметрами ионосферы, сохранялись в стан-
дартных файлах-таблицах, которые использо-
вались в дальнейшей обработке.
По критической и экранирующей частотам
обыкновенной волны была оценена степень
(коэффициент) прозрачности Es:
0Es Es
0Es
,bf fC
f
−=
где C – коэффициент прозрачности, 0Esf –
критическая частота спорадического слоя,
Esbf – частота экранирования. В последую-
щем спорадические слои делились по степени
прозрачности на плотные ( 0.1)C < и полупроз-
рачные ( 0.2).C > На рис. 1 приведены приме-
ры ионограмм с плотным (рис. 1, а) и полу-
прозрачным Es (рис. 1, б), которые были полу-
Рис. 1. Ионограммы, наблюдавшиеся 10.07.2005 г. в 10:00 LT (а) и 13.07.2005 г. в 17:45 LT (б)
А. В. Зализовский
28 Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
чены 10.07.2005 г. в 10:00 и 13.07.2005 г.
в 17:45 соответственно.
Метеорологическая информация регистриро-
валась автоматической метеостанцией MAWS
[7], темп съема данных составлял 5 мин.
В результате первичной обработки были
сформированы 13-летние массивы данных с
шагом 1 ч, приведенные к местному времени
(LT UT 4= − ч). Интервалы времени, на кото-
рых имелись пропуски либо ионосферных, либо
метеорологических данных, из обработки ис-
ключались. Для минимизации влияния геомаг-
нитных возмущений из обработки также были
исключены магнитовозмущенные периоды
( 3).K > Возмущенность геомагнитного поля
определялась по локальным К-индексам [8],
которые оценивались по магнитограммам рас-
положенной на УАС геомагнитной обсервато-
рии AIA (Argentine Islands Archipelago).
Вероятность появления Еs или параметра
погоды рассчитывалась как отношение числа
интервалов времени с данным событием к
полному количеству интервалов наблюдений.
Условные вероятности появления Еs опреде-
лялись отношением числа интервалов време-
ни с присутствием Еs в данных погодных ус-
ловиях к полному числу периодов, в которых
регистрировался данный параметр погоды.
1.1. Статистика Es
Сезонные вариации вероятности появления
Es по всему массиву наблюдений изображены
на рис. 2. Абсолютный максимум частоты
повторения Es (рис. 2, а) проявляется в летнее
время (декабрь – январь). Присутствует так-
же экстремум в зимние месяцы (июнь – июль).
Выраженные минимумы отмечаются в апре-
ле – мае и сентябре – октябре. Сезонный ход
плотных слоев ( 0.1,C < рис. 2, б) качественно
повторяет вариацию всех Es (рис. 2, а), хотя зим-
ний максимум выражен значительно слабее.
В то же время пик в сезонной вариации полу-
прозрачных структур отмечается зимой, в
июне – июле, менее значимый максимум име-
ет место в летние месяцы (рис. 2, в).
Рассмотрим суточные вариации вероятно-
сти наблюдения всех Es в разные месяцы года.
Повторяемость Es во все сезоны увеличива-
ется днем (рис. 3). Но если в летние месяцы
вероятность наблюдения Es в дневное время
приближается к 100 %, то в остальные сезоны
Рис. 2. Сезонные вариации вероятности наблю-
дения Es (Аргентинские острова 1993-2005 г.):
а) – всех, б) – плотных, в) – полупрозрачных
Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы...
29Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
она существенно ниже. В суточных вариациях
можно выделить два локальных экстремума:
первый и, как правило, основной – до полудня,
второй – в предзакатные часы.
Суточный ход плотных Es (рис. 4) каче-
ственно похож на вариации всех Es (рис. 3),
однако существенно уменьшаются значения
максимумов, до 60 75 %.÷ “Двугорбость”
Рис. 3. Суточные вариации вероятности наблюдения всех Es по месяцам года: а) – в) – лето (декабрь,
январь, февраль); г) – е) – осень (март, апрель, май); ж) – и) – зима (июнь, июль, август); к) – м) – весна
(сентябрь, октябрь, ноябрь)
А. В. Зализовский
30 Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
суточной вариации появляется в зимние ме-
сяцы (рис. 4, ж-и), причем вечернее увеличе-
ние вероятности проявляется значительно позд-
нее захода Солнца. Летом в дневное время
вариация имеет практически “столообразный”
вид (рис. 4, а-в).
Несколько иначе ведут себя полупрозрач-
ные Es (рис. 5). Суточная вариация летом
Рис. 4. Суточные вариации вероятности наблюдения плотных Es по месяцам года: а) – в) – лето (декабрь,
январь, февраль); г) – е) – осень (март, апрель, май); ж) – и) – зима (июнь, июль, август); к) – м) – весна
(сентябрь, октябрь, ноябрь)
Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы...
31Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
(рис. 5, а-в) слабо выражена, в феврале – марте
появляются ночные максимумы (рис. 5, в-г).
Далее, с апреля по сентябрь, максимумы на-
блюдаются неизменно в 10 часов местного
времени (рис. 5, д-к). Как правило, присутствует
и второй локальный экстремум в окрестности
вечернего терминатора. В октябре имеет место
абсолютный минимум наблюдений полупроз-
Рис. 5. Суточные вариации вероятности наблюдения полупрозрачных Es по месяцам года: а) – в) – лето
(декабрь, январь, февраль); г) – е) – осень (март, апрель, май); ж) – и) – зима (июнь, июль, август); к) – м) –
весна (сентябрь, октябрь, ноябрь)
А. В. Зализовский
32 Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
рачных слоев (рис. 5, л), суточная вариация в
октябре – ноябре выражена слабо (рис. 5, л-м).
1.2. Статистика погодных параметров
Рассмотрим сезонные вариации метеоро-
логических параметров, используемых далее
для иллюстрации статистической связи при-
земной погоды с Es. Наиболее сильной оказа-
лась связь Еs с атмосферным давлением и
северо-восточной (С-В) проекцией скорости
ветра, азимут которого, 26°, соответствует
ориентации среднего за 1993-2005 гг. вектора
скорости ветра. В силу географических и орог-
рафических причин С-В проекция ветра явля-
ется удачным индикатором атмосферных
фронтов над УАС.
Сезонные вариации вероятности наблюде-
ния С-В проекции ветра и низкого давления
(на 10 и более миллибар ниже локального сред-
него значения – 987.7 мбар) весьма похожи
(рис. 6, а, в). Выделяются два максимума: осен-
ний (февраль – апрель) и весенний (август –
октябрь). Минимумы фиксируются зимой в
июне и летом в декабре – январе. Юго-запад-
ная (Ю-З) проекция ветра (рис. 6, б) чаще всего
Рис. 6. Сезонные вариации вероятностей наблюдения параметров приземной погоды: а) – давления
ниже 977.7 мбар (на 10 и более миллибар ниже среднего на УАС значения); б) – давления выше 997.7 мбар
(на 10 и более миллибар выше среднего на УАС значения); в) – С-В проекции ветра (более 2.5 м/с);
г) – Ю-З проекции ветра (более 2.5 м/с)
Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы...
33Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
отмечается в августе, наибольшее количество
дней с высоким давлением (на 10 и более
миллибар выше среднего для УАС значения)
фиксируется в июне (рис. 6, г). Минимумы
повторяемости высокого давления и Ю-З вет-
ров наблюдаются в январе.
1.3. Связь вероятности появления Es
с параметрами погоды
Для оценки степени воздействия тропос-
феры на формирование Es оценивались услов-
ные вероятности появления Es при разных
параметрах приземной погоды. Разности ус-
ловных вероятностей наблюдения Es в зимний
(май – август) и летний (ноябрь – февраль)
периоды в разных погодных условиях приве-
дены на рис. 7. Как зимой (рис. 7, а), так и
летом (рис. 7, б) разности вероятностей появ-
ления Es при С-В и Ю-З ветрах либо лежат в
пределах, либо незначительно отличаются от
среднеквадратических отклонений их оценок.
Связь Es с давлением в зимние месяцы ярко
выражена (рис. 7, в): вся суточная вариация
разности условных вероятностей лежит ниже
нуля, т. е. в течение всех суток появления Es
при низком давлении существенно вероятнее,
Рис. 7. Отличия условных вероятностей наблюдения Es: а), б) – при С-В и Ю-З ветрах; в), г) – при высоком
и низком атмосферных давлениях; а), в) – в мае – августе; б), г) – в ноябре – феврале
А. В. Зализовский
34 Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
чем при высоком. Летом зависимость Es от
давления практически исчезает (рис. 7, г).
Рассмотрим более подробно ситуацию в
зимнее время. Реакция плотных и полупрозрач-
ных Es на состояние тропосферы разная (рис. 8).
В присутствии положительной С-В проекции
ветра вероятность появления плотных Es не-
сколько понижается (рис. 8, а), в то же время
на протяжении большей части суток вероят-
ность наблюдения полупрозрачных Es повы-
шается (рис. 8, б). Увеличение частоты по-
явления Es при низком давлении происходит
преимущественно за счет полупрозрачных Es
(рис. 8, г). Плотные Es также чаще наблюда-
ются при низком давлении, однако эта зависи-
мость выражена значительно слабее (рис. 8, в).
Обобщая результаты обработки, отметим,
что погода в тропосфере влияет на формиро-
вание Es в зимние месяцы, и практически не
влияет в летние. Давление выступает пара-
метром, статистически наиболее связанным
с Es в зимнее время. Плотные Es зимой боль-
шую часть суток наблюдаются преимуще-
ственно при низком давлении; при С-В ветре
вероятность появления плотных Es падает.
Частота появления полупрозрачных Es в зим-
нее время растет при низком давлении и поло-
жительной С-В проекции ветра.
Рис. 8. Отличия условных вероятностей наблюдения Es разной структуры в мае – августе: а), б) – при С-В
и Ю-З ветрах; в), г) – при низком и высоком атмосферном давлении; а), в) – плотные Es; б), г) – полу-
прозрачные Es
Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы...
35Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
2. Обсуждение и гипотезы
Анализ результатов обработки эксперимен-
тальных данных свидетельствует о наличии
связи между приземной погодой и Es в зимнее
время. По всей видимости, причина выявлен-
ной зависимости состоит в существовании
потока энергии из тропосферы в ионосферу
благодаря распространению планетарных волн
(ПВ) и средне- или крупномасштабных атмос-
ферных гравитационных волн (АГВ) [4, 9-12].
Как АГВ, так и ПВ являются собственными
волнами атмосферы [9]. Особенность этих
волновых процессов состоит в том, что по мере
уменьшения с высотой плотности и давления
газа их относительные вариации возрастают.
Растут также вариации скорости ветра. Если
эффекты роста относительных изменений силь-
нее, чем затухание волновых процессов за счет
вязкости среды, то амплитуда волны будет
возрастать, пока не достигнет уровня нели-
нейного ограничения, после чего волна долж-
на разрушаться, приводя к развитию турбу-
лентности разных масштабов [13]. На высо-
тах Е-области ионосферы АГВ и ПВ могут
привести к формированию или модификации
Es за счет, например, механизмов ветрового
сдвига [5].
Рассмотрим последовательно проявления
ПВ и АГВ в параметрах нейтральной атмо-
сферы, условия вертикального распростране-
ния волн, а также возможные отклики на них
в Е-области ионосферы.
Планетарные волны малого порядка име-
ют длину волны, соизмеримую с длиной ок-
ружности Земли (тысячи километров), их пе-
риод составляет несколько суток [4, 9]. ПВ
создают квазистационарное (в сравнении с
временем жизни Es) глобальное распределе-
ние давления и ветра в атмосфере. Эффекты,
связанные с ПВ, вероятнее всего, будут при-
водить к крупномасштабным плазменным
образованиям.
Вариации приземного атмосферного давле-
ния подвержены влиянию крупномасштабных
ПВ, а также связаны с барическими образова-
ниями (циклонами, антициклонами) и атмосфер-
ными фронтами. Крупномасштабные малопод-
вижные ПВ могут приводить к продолжитель-
ным отклонениям погоды от среднеклимати-
ческих значений. Так, например, если мини-
мум давления ПВ будет располагаться в окре-
стности УАС, давление в течение длительного
времени может оставаться ниже среднего зна-
чения. Если минимум ПВ смещен к западу, дли-
тельное время преобладают ветры С-В направ-
ления, температурный фон повышается и воз-
растает фронтальная активность. Если же ми-
нимум ПВ располагается над Атлантическим
океаном, чаще наблюдаются Ю-З ветры, тем-
пература понижается, и фронтальная активность,
как правило, не высока. Отметим, что уровень
атмосферного давления контролируется круп-
номасштабными ПВ значительно в большей
степени, чем скорость приземного ветра. Кос-
венным подтверждением этого может служить
тот факт, что время автокорреляции периодов
низкого давления намного больше, чем время
автокорреляции периодов С-В ветра (оценки
времени автокорреляции по уровню 0.3 соста-
вили у давления 41 ч, у С-В ветра – 17 ч). Луч-
шие условия проникновения ПВ на высоты
средней и верхней атмосферы наблюдаются
в зимние месяцы [12]. В случае возбуждения
Es крупномасштабными ПВ слои должны быть
очень протяженными в горизонтальной плоско-
сти и плотными на ионограммах (размер диа-
граммы направленности антенны ионозонда на
высоте Е-области порядка 50 км).
Атмосферные гравитационные волны
средних и крупных масштабов имеют в гори-
зонтальном направлении длины волн порядка
сотни – тысячи километров, им соответству-
ют периоды от десятка минут до нескольких
часов. Источниками АГВ могут быть земле-
трясения, извержения вулканов, тропические
циклоны, а также атмосферные фронтальные
разделы [4, 9-12] (последним в статье уделено
основное внимание).
Возбуждение АГВ атмосферными фронта-
ми происходит, вероятно, над тропопаузой, где
стратосфера, устойчивая область с температур-
ной инверсией, ограничивает сверху зону восхо-
дящих потоков атмосферного фронта [10-12].
Переходной слой между верхней границей
фронтальной области и стратосферой можно
представить в виде своего рода набора “мем-
бран”, колеблющихся на разных частотах (час-
тота Бранта–Вяйсяля увеличивается с высо-
А. В. Зализовский
36 Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
той в стратосфере над атмосферным фрон-
том от 0 до величин порядка 5 10÷ мин–1).
С-В ветер в регионе УАС сопутствует пе-
редним частям циклонов, Ю-З – тыловым.
Поскольку, как правило, фронтальные разде-
лы вынесены в передние части циклонов, на-
личие С-В проекции приземного ветра указы-
вает на присутствие атмосферного фронта и,
следовательно, генерацию АГВ над станцией.
Спектр тех АГВ, которые могут распрост-
раниться до высот термосферы, располагает-
ся в нижней части частотного диапазона и имеет
периоды порядка получаса и более [2, 4, 9-12].
АГВ, так же как и ПВ, в целом лучше рас-
пространяются зимой [10-12]. В отличие от
ПВ условия распространения АГВ могут
иметь заметную суточную вариацию. Вер-
тикальное распространение АГВ зависит от
вертикального профиля частоты Бранта–Вяй-
сяля, которая, в свою очередь, зависит от со-
ответствующего профиля температуры. Для
идеальной атмосферы частота Бранта–Вяй-
сяля gω может быть выражена следующим
образом [9]:
2 d ,
dg
P
g T g
T z C
⎛ ⎞
ω = +⎜ ⎟
⎝ ⎠
где g – ускорение свободного падения, T –
температура, z – высота, PC – удельная теп-
лоемкость атмосферного газа при постоянном
давлении, d dT z – вертикальный градиент
температуры, Pg C – вертикальный адиаба-
тический градиент. В среде могут распрост-
раняться АГВ, частоты которых меньше .gω
В случае если d dT z отрицателен, спектр рас-
пространяющихся АГВ ограничивается силь-
нее с приближением модуля d dT z к значе-
нию адиабатического градиента в слое.
На распространение АГВ должна оказы-
вать влияние суточная вариация стратифика-
ции мезосферы той области, где d dT z отри-
цателен, и gω достигает своего минимума на
высотах от тропопаузы до термосферы. Ле-
том и в дневное время эффект ограничения
спектра АГВ будет максимальным за счет
разогрева стратопаузы (озоносферы) и роста
модуля отрицательного градиента темпера-
турного профиля в мезосфере [14]. В зимнее
время и ночью условия распространения АГВ
значительно лучше, поскольку температура
стратопаузы сравнительно низкая [14], а час-
тота Бранта–Вяйсяля в мезосфере высокая.
АГВ вызывают квазипериодически меняю-
щиеся ветры с характерным горизонтальным
масштабом порядка 100 км, которые на ионос-
ферных высотах могут возбудить Es за счет
сдвигового механизма [5]. При этом на ионог-
раммах могут наблюдаться как плотные, так
и полупрозрачные Es в зависимости от гори-
зонтального масштаба и расположения обла-
сти распространения АГВ относительно диаг-
раммы направленности ионозонда.
В случае достижения амплитудой волны
порога нелинейности пространственно-времен-
ной спектр распространяющихся АГВ обога-
щается. При этом, если для какой-либо про-
странственной гармоники АГВ выполнятся
условия пространственного резонанса [13],
возрастет уровень мелко- и/или мезо-масш-
табных неоднородностей электронной концен-
трации. В этом случае, очевидно, по причине
небольших пространственных масштабов
плазменных неоднородностей, в ионограммах
вертикального зондирования будут наблюдать-
ся полупрозрачные Es.
Сопоставив результаты рассуждений с эк-
спериментальными данными, можно заклю-
чить, что зимой условия формирования Es улуч-
шаются в фазе минимума давления ПВ. Гене-
рируемые атмосферными фронтами АГВ, рас-
пространяясь на высоты ионосферы, наруша-
ют однородную структуру Es, приводя к появ-
лению полупрозрачных Es.
Выводы
В работе исследована связь спорадических
слоев Е-области ионосферы, регистрируемых
над Антарктическим полуостровом, с призем-
ной погодой. Проанализированы сезонные ва-
риации приземных ветров и атмосферного дав-
ления, а также сезонные и суточные вариации
частоты появления Es. Максимум в сезонной
вариации частоты появления Es отмечается
летом, однако полупрозрачные Es чаще наблю-
даются зимой. В суточной вариации максиму-
мы повторения Es регистрируются днем. Этот
Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы...
37Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
же вывод справедлив для плотных Es, и не
всегда – для полупрозрачных, у которых днев-
ной максимум выражен лишь зимой.
Исследована степень связи Es с призем-
ной погодой путем сравнения условных веро-
ятностей наблюдения Es при низком и высо-
ком давлениях, а также при северо-восточ-
ном и юго-западном ветрах. В летнее время
связь Es с погодой несущественна, в зимнее
время вероятность появления Es увеличива-
ется при низком приземном атмосферном
давлении. Кроме того, в присутствии поло-
жительной С-В проекции приземного ветра,
вызванного фронтальной активностью, уве-
личивается вероятность наблюдения полу-
прозрачных Es, и уменьшается – плотных Es.
Экспериментальные факты гипотетически
объясняются воздействием энергии, распрост-
раняющейся из тропосферы в околоземное кос-
мическое пространство посредством АГВ и ПВ.
Строго разделить вклад ПВ и АГВ в возбужде-
ние Es на рассмотренном экспериментальном
материале проблематично, поскольку фронталь-
ная активность и генерация АГВ зависят от ПВ,
увеличиваясь в пространственной области ми-
нимума давления ПВ и к востоку от него. Мож-
но лишь утверждать, что Es в зимнее время
активнее возбуждаются в фазе минимума дав-
ления ПВ. Вероятная роль АГВ состоит в фор-
мировании сравнительно “мелкомасштабных”
неоднородностей электронной концентрации, что
нарушает “регулярную” структуру Es и, как след-
ствие, увеличивает частоту наблюдения полу-
прозрачных Es и уменьшает – плотных Es.
Автор считает своим приятным долгом
поблагодарить за полезные советы профес-
сора Ю. М. Ямпольского, сотрудников отде-
ла радиофизики геокосмоса Радиоастроно-
мического института НАН Украины, активно
учавствовавших в обсуждении результатов,
а также зимовщиков станции “Майкл Фара-
дей” – “Академик Вернадский” 1993–2005 гг.,
благодаря которым был собран эксперимен-
тальный материал.
Работа выполнена при частичной поддер-
жке НИР “Резонансы” НАНЦ МОН Украины
по договору № Н/5-2004, а также ведомствен-
ной НИР “Циклон”, выполняемой по целевой
Программе НАН Украины № 486-05, и гранту
для молодых ученых НАН Украины № 61-05.
Литерарута
1. National Space Weather Program. Strategic Plan. FCM-
P30-1995. Washington, DC, 1995. – 30 р.
2. Ямпольский Ю. М., Зализовский А. В., Литвинен-
ко Л. Н., Лизунов Г. В., Гровс K., Молдвин M. Ва-
риации магнитного поля в Антарктике и сопря-
женном регионе (Новая Англия), стимулирован-
ные циклонической активностью // Радиофизика
и радиоастрономия. – 2004. – Т. 9, №2. – С. 130-151.
3. Милиневский Г. П. Научные исследования на ук-
раинской антарктической станции “Академик Вер-
надский” // Радиофизика и радиоастрономия. –
1997. – Т. 2, №3. – С. 255-266.
4. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионос-
феры. – М.: Наука, 1988. – 528 с.
5. Гершман Б. Н. Динамика ионосферной плазмы. –
М.: Наука, 1974. – 256 с.
6. Wakai N., Ohyama H., and Koizumi T. Manual of Iono-
gram Scaling. Third Version. – Japan, Radio Research
Laboratory, Ministry of Post and Telecommunications,
1987.
7. Shanklin J. Module Automatic Weather Station / User
Manual. – Cambridge, British Antarctic Sarvey, 1997.
8. Jankowski Jerzy, Sucksdorf Christian. Guide for mag-
netic measurements and observatory practice. – War-
shaw, 1996. – 235 p.
9. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. В 2-х то-
мах – М.: Мир, 1986. – 397 с (Т. 1), 410 с (Т. 2).
10. Зализовский А. В., Ямпольский Ю. М. F-рассея-
ние как индикатор тропосферно-ионосферного
взаимодействия // Радиофизика и радиоастроно-
мия. – 2007. – Т. 12, №1. – С. 33-42.
11. Зализовский А. В., Ямпольский Ю. М. Роль кос-
мической и тропосферной погодных систем в тур-
булизации верхней ионосферы // Труды VIII кон-
ференции молодых ученых “Астрофизика и фи-
зика околоземного космического пространства”.
Байкальская молодежная школа по фундаменталь-
ной физике (БШФФ-2005). Лекции БШФФ-2005. –
Иркутск. – 2005. – С. 9-13.
12. Данилов А. Д., Казимировский Э. С., Вергасо-
ва Г. В, Хачикян Г. Я. Метеоэффекты в ионосфере. –
Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 272 с.
13. Гершман Б. Н., Казимировский Э. С., Кокоу-
ров В. Д., Чернобровкина Н. А. Явление F-рас-
сеяния в ионосфере. – М.: Наука, 1984. – 143 с.
14. Атмосфера. Справочник (справочные данные,
модели) / Ред. коллегия: Ю.С. Седунов (председа-
тель), С. И. Авдюшин, Е. П. Борисенков, О. А. Вол-
ковицкий, Н. Н. Петров, Р. Г. Рейтенбах, В. И. Смир-
нов, А. А. Черникова. – Л: Гидрометеоиздат,
1991. – 509 с.
А. В. Зализовский
38 Радиофизика и радиоастрономия, 2008, т. 13, №1
Роль тропосферних процесів
у формуванні спорадичних шарів
Е-області іоносфери
над Антарктичним півостровом
А. В. Залізовський
Розглядається вплив тропосферної погоди на
збудження спорадичних шарів Е-області іонос-
фери (Es) над Антарктичним півостровом на
підставі експериментальних даних, отриманих на
станції “Академік Вернадський” у 1993–2005 рр.
Дослідження виконано шляхом порівняння умов-
них імовірностей спостереження Es за різних
погодних умов. Імовірність появи як щільних, так
і напівпрозорих Es збільшується зимовими міся-
цями за низького приземного атмосферного тис-
ку. Однак за позитивної північно-східної проекції
приземного вітру, котра вказує на фронтальну ак-
тивність, збільшується імовірність спостере-
ження напівпрозорих шарів та зменшується –
щільних. Вказані факти можна пояснити поши-
ренням атмосферних гравітаційних та планетар-
них хвиль (хвиль Россбі) із тропосфери на іоно-
сферні висоти. Імовірність формування Es взим-
ку збільшується у фазі мінімуму тиску плане-
тарної хвилі. Роль атмосферних гравітаційних
хвиль полягає у збудженні дрібно- та мезомасш-
табних плазмових неоднорідностей та порушенні
регулярної структури Es.
The Role of Tropospheric Processes
in Forming the Sporadic Layers
of E Ionospheric Region
over the Antarctic Peninsula
A. V. Zalizovski
The impact of tropospheric weather on the
generation of sporadic E layers (Es) over the
Antarctic Peninsula is considered with the Aka-
demik Vernadsky station experimental data ob-
tained during 1993 thru 2005. The investigation
is carried out by comparing the conditional prob-
abilities of Es appearance for various weather
conditions. The low surface air pressure increas-
es the probability of appearance of both dense
and semi-transparent Es layers in winter months.
Meanwhile, the positive North-East wind pro-
jection (associated with frontal activity) increas-
es the probability of semi-transparent layers while
reducing the repetition of dense ones. The facts
outlined can be interpreted as a result of propa-
gation of atmospheric gravity and planetary
(Rossby) waves from the troposphere up to iono-
spheric heights. The probability of Es formation
in winter grows in minimal phase of pressure of
planetary wave. The role of atmospheric gravity
waves consists in exciting of small- and mesos-
cale plasma irregularities and disturbing the regu-
lar Es structure.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8380 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1027-9636 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:35:15Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Радіоастрономічний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Зализовский, А.В. 2010-05-25T10:31:32Z 2010-05-25T10:31:32Z 2008 Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом / А.В. Зализовский // Радиофизика и радиоастрономия. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 26-38. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8380 537.876, 551.510.413.5 Рассмотрено воздействие тропосферной погоды на возбуждение спорадических слоев Е-области ионосферы (Es) над Антарктическим полуостровом на базе экспериментальных данных, полученных на станции "Академик Вернадский" в 1993 - 2005 гг. Исследования проведены путем сравнения условных вероятностей наблюдения Es в разных погодных условиях. Вероятность появления как плотных, так и полупрозрачных Es увеличивается в зимние месяцы при низком приземном атмосферном давлении. При положительной северо-восточной проекции приземного ветра, указывающей на фронтальную активность, увеличивается вероятность наблюдения полупрозрачных слоев и уменьшается - плотных. Отмеченные факты объяснены распространением атмосферных гравитационных и планетарных волн (волн Россби) из тропосферы на ионосферные высоты. Вероятность формирования Es зимой увеличивается в фазе минимума давления планетарной волны. Роль атмосферных гравитационных волн состоит в возбуждении мелко- и мезомасштабных плазменных неоднородностей и нарушении регулярной структуры Es. Розглядається вплив тропосферної погоди на збудження спорадичних шарів Е-області іоносфери (Es) над Антарктичним півостровом на підставі експериментальних даних, отриманих на станції “Академік Вернадський” у 1993–2005 рр. Дослідження виконано шляхом порівняння умовних імовірностей спостереження Es за різних погодних умов. Імовірність появи як щільних, так і напівпрозорих Es збільшується зимовими місяцями за низького приземного атмосферного тиску. Однак за позитивної північно-східної проекції приземного вітру, котра вказує на фронтальну активність, збільшується імовірність спостереження напівпрозорих шарів та зменшується – щільних. Вказані факти можна пояснити поширенням атмосферних гравітаційних та планетарних хвиль (хвиль Россбі) із тропосфери на іоносферні висоти. Імовірність формування Es взимку збільшується у фазі мінімуму тиску планетарної хвилі. Роль атмосферних гравітаційних хвиль полягає у збудженні дрібно- та мезомасштабних плазмових неоднорідностей та порушенні регулярної структури Es. The impact of tropospheric weather on the generation of sporadic E layers (Es) over the Antarctic Peninsula is considered with the Akademik Vernadsky station experimental data obtained during 1993 thru 2005. The investigation is carried out by comparing the conditional probabilities of Es appearance for various weather conditions. The low surface air pressure increases the probability of appearance of both dense and semi-transparent Es layers in winter months. Meanwhile, the positive North-East wind projection (associated with frontal activity) increases the probability of semi-transparent layers while reducing the repetition of dense ones. The facts outlined can be interpreted as a result of propagation of atmospheric gravity and planetary (Rossby) waves from the troposphere up to ionospheric heights. The probability of Es formation in winter grows in minimal phase of pressure of planetary wave. The role of atmospheric gravity waves consists in exciting of small- and mesoscale plasma irregularities and disturbing the regular Es structure. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить за полезные советы профессора Ю. М. Ямпольского, сотрудников отдела радиофизики геокосмоса Радиоастрономического института НАН Украины, активно учавствовавших в обсуждении результатов, а также зимовщиков станции "Майкл Фарадей" – "Академик Вернадский" 1993–2005 гг., благодаря которым был собран экспериментальный материал. Работа выполнена при частичной поддержке НИР "Резонансы" НАНЦ МОН Украины по договору № Н/5-2004, а также ведомственной НИР "Циклон", выполняемой по целевой Программе НАН Украины № 486-05, и гранту для молодых ученых НАН Украины № 61-05. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика геокосмоса Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом Роль тропосферних процесів у формуванні спорадичних шарів Е-області іоносфери над Антарктичним півостровом The Role of Tropospheric Processes in Forming the Sporadic Layers of E Ionospheric Region over the Antarctic Peninsula Article published earlier |
| spellingShingle | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом Зализовский, А.В. Радиофизика геокосмоса |
| title | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом |
| title_alt | Роль тропосферних процесів у формуванні спорадичних шарів Е-області іоносфери над Антарктичним півостровом The Role of Tropospheric Processes in Forming the Sporadic Layers of E Ionospheric Region over the Antarctic Peninsula |
| title_full | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом |
| title_fullStr | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом |
| title_full_unstemmed | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом |
| title_short | Роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев Е-области ионосферы над Антарктическим полуостровом |
| title_sort | роль тропосферных процессов в формировании спорадических слоев е-области ионосферы над антарктическим полуостровом |
| topic | Радиофизика геокосмоса |
| topic_facet | Радиофизика геокосмоса |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8380 |
| work_keys_str_mv | AT zalizovskiiav rolʹtroposfernyhprocessovvformirovaniisporadičeskihsloeveoblastiionosferynadantarktičeskimpoluostrovom AT zalizovskiiav rolʹtroposfernihprocesívuformuvannísporadičnihšaríveoblastííonosferinadantarktičnimpívostrovom AT zalizovskiiav theroleoftroposphericprocessesinformingthesporadiclayersofeionosphericregionovertheantarcticpeninsula |