Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Долговременные вариации параметров слояеб 16
1.1. Основные параметры слоя Es и их изменчивость 17
1.1.1. Частотные и вероятностные параметры Es слоя 17
1.1.2. Механизмы образования Es слоя 21
1.1.3. Анализ влияния солнечной активности на вариации параметров спорадического слоя Е 1.2. Долговременные тренды в параметрах слоя Es 32
1.3. Влияния солнечной активности на вариации параметров слоя Es 47
1.4. Выводы 53
ГЛАВА 2. Влияние геомагнитной активности на среднеширотный слой Es 55
2.1. Анализ влияния вариаций геомагнитного ноля на параметры слоя Es 56
2.2. Влияние геомагнитных возмущений на параметры среднеширотного слоя Es 62
2.3. Выводы 74
ГЛАВА 3. Влияние солнечной и геомагнитной активности на динамические параметры нейтральной компоненты верхней мезосферы - нижней термосферы 75
3.1. Анализ влияния солнечной и геомагнитной активности на параметры нейтрального ветра 76
3.1.1. Анализ долгопериодных вариаций и зависимости от солнечной активности параметров нейтрального ветра 76
3.1.2. Анализ влияния геомагнитной активности на параметры нейтрального ветра
3.2. Исследование влияния солнечной активности на параметры нейтрального ветра 85
3.2.1. Общая характеристика ветровых данных, получаемых радиолокационным комплексом КГУ-М5 85
3.2.2. Оценка вертикальной составляющей скорости ветра W 87
3.2.3. Влияние вариаций солнечной активности на динамические параметры нейтрального ветра 89
3.2.4. Взаимосвязь вариаций динамических параметров нейтрального ветра и частотных параметров Es слоя,
вызванных изменением уровня солнечной активности 105
3.3. Исследование влияния вариаций геомагнитной активности на параметры нейтрального ветра 108
3.3.1. Влияние вариаций геомагнитной активности на преобладающей ветер 109
3.3.2. Влияние вариаций геомагнитной активности на приливные движения 115
3.3.3. Влияние уровня геомагнитной активности на интенсивность мезомасштабной турбулентности 125
3.3.4. Влияние вариаций геомагнитной активности на горизонтальную дивергенцию преобладающего ветра 128
3.3.5. Взаимосвязь вариаций динамических параметров нейтрального ветра и частотных параметров Es слоя в периоды геомагнитных возмущений 130
3.4. Выводы 133
Заключение 135
Литература 1
- Частотные и вероятностные параметры Es слоя
- Влияние геомагнитных возмущений на параметры среднеширотного слоя Es
- Анализ долгопериодных вариаций и зависимости от солнечной активности параметров нейтрального ветра
- Исследование влияния вариаций геомагнитной активности на параметры нейтрального ветра
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование спорадических слоев в области Е уже много лет привлекает внимание исследователей. Существенно, что понятие спорадический слой Е включает в себя ряд явлений в ионосфере на высотах области Е, имеющих различную природу, но проявляющихся на ионограммах сходным образом.
Отличительными чертами спорадических слоев в Е области являются: вероятностный характер появления, высокая интенсивность (электронная концентрация в Es слое может в несколько раз превышать концентрацию окружающего регулярного слоя Е), локализованность в пространстве и полупрозрачность. Такие особенности спорадических слоев в области Е приводили и до сих пор приводят к противоречивым результатам, получаемых различными исследователями.
За прошедшие десятилетия исследований Es слоев изучены особенности суточных, межсуточных, сезонных и межгодовых вариаций параметров среднеширотных Es слоев, однако, не выяснен до конца вопрос о связи спорадического Е слоя с вариациями солнечной и геомагнитной активности. Наличие ярко выраженных суточных и сезонных вариаций параметров среднеширотных слоев Es позволяет сделать предположение, что эти слои находятся под сильным солнечным контролем. Также не вызывает сомнения тот факт, что геомагнитное поле играет важную роль в образовании Es слоев. Знание характера зависимости параметров спорадических слоев от магнитного поля способствует выяснению механизмов образования слоев Es.
Многочисленные исследования связи параметров спорадического слоя Е с вариациями солнечной и геомагнитной активности привели к противоречивым результатам, и вопрос о влиянии солнечной и геомагнитной активности на параметры слоя Es является актуальным на данный момент. К настоящему моменту в Мировьж Центрах Данных накоплены длительные, свыше 3-х циклов солнечной активности, ряды ионосферных параметров, доступных через сеть Интернет. Имеющийся в наличии значительный массив экспериментальных данных позволяет провести детальное изучение влияния солнечной и геомагнитной активности на среднеширотный спорадический слой Е.
Поскольку на данный момент общепринятым механизмом образования слоя Es на средних широтах является теория ветрового сдвига, в соответствии с которой формирование Es слоев происходит под действием вертикального ветрового сдвига в присутствии магнитного поля Земли, то воздействие солнечной и геомагнитной активности на параметры слоя Es необходимо рассматривать совместно с эффектами влияния солнечной и геомагнитной активности на динамику нижней термосферы.
Целью диссертационной работы является обнаружение долговременных вариаций в частотных и вероятностных параметрах среднеширотных Es слоев и установление закономерностей влияния вариаций солнечной и геомагнитной активности на частотные и вероятностные параметры среднеширотного спорадического слоя Е и динамические параметры нейтральной атмосферы в области высот верхней мезосферы - нижней термосферы.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
-
Выполнить исследования долговременных трендов следующих параметров слоя Es: предельной частоты foEs, частоты экранирования fbEs, интервала полупрозрачности AfEs, вероятности появления Es слоя, PEs, и вероятности появления Es слоя с интенсивностью выше заданной, P(foEs > f ) в течение трех циклов солнечной активности и установить их долготную изменчивость.
-
Выполнить исследование влияния вариаций солнечной и геомагнитной активности на указанные параметры спорадического слоя Е.
-
Провести исследование влияния вариаций солнечной и геомагнитной активности на динамические параметры нейтральной атмосферы и установить их связь с временными вариациями параметров спорадического Е слоя.
Научная новизна представленных результатов работы:
-
Показано, что реакция слоев Es на вариации уровня солнечной активности определяется интенсивностью Es слоев. Впервые выявлена смена знака корреляции вероятности появления Es слоя с уровнем солнечной активности от интенсивности слоя Es.
-
Впервые по данным среднеширотных станций северного полушария выявлены многолетние тренды в частотных и вероятностных параметрах Es слоев и обнаружена региональная зависимость трендов предельной частоты Es слоев: на территории Западной Европы преобладают положительные тренды значений foEs, а на территории России - отрицательные.
-
Получены новые результаты о статистической связи вариаций геомагнитной активности и вариаций динамических параметров нейтральной атмосферы (преобладающий ветер, приливы, мезомасштабная турбулентность) в области высот 80-100 км.
-
По длительному ряду экспериментальных данных (30 лет) получены новые результаты о вариациях параметров Es слоя в условиях геомагнитных возмущений. Впервые на основе координированных измерений динамических параметров нейтральной атмосферы в области высот 80-100 км и параметров слоя Es предложено объяснение выявленных вариаций параметров Es слоя в условиях геомагнитных возмущений воздействием динамических процессов нейтральной атмосферы.
Практическая ценность настоящей работы состоит в том, что:
полученные результаты важны для решения задач оперативного прогноза частотных параметров спорадического слоя Е в условиях возмущенной геомагнитной обстановки.
выявленные закономерности влияния солнечной и геомагнитной активности на параметры спорадического Е слоя важны при развитии эмпирических моделей среднеширотного Es слоя с учетом влияния солнечной и геомагнитной активности.
На защиту выносятся:
-
Установленные в течение трех солнечных циклов особенности долговременных трендов частотных и вероятностных параметров Es слоев и выявленная зависимость знака тренда значений foEs от географического положения пунктов измерения.
-
Обнаруженные эффекты влияния солнечной активности на среднеширотные Es слои различной интенсивности.
-
Характер влияния геомагнитных возмущений на Es слой для каждого сезона года для двух уровней солнечной активности (среднегодовое число\У>75и\<75).
-
Результаты комплексного исследования статистической связи солнечной и геомагнитной активности, частотных и вероятностных параметров среднеширотного Es слоя и динамических параметров нейтральной атмосферы в области высот верхней мезосферы - нижней термосферы.
Достоверность полученных результатов подтверждена статистической надежностью многолетних наблюдений на 22 среднеширотных ионосферных станциях и радиометеорных наблюдений циркуляции верхней мезосферы - нижней термосферы, а также методически обоснованной обработкой результатов измерений и отсутствием противоречий с положениями теории ветрового сдвига.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на 32,33,35-й Научных Ассамблеях "COSPAR" (Япония, Нагойя, 1998; Польша, Варшава, 2000; Франция, Париж, 2004), международной конференции LAGA Workshop (Чехия, Прага, 2000), ХЖ, XX Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Казань, 1999; КНовгород, 2002), а также на научных конференциях Казанского государственного университета.
Результаты работы внедрены в учебный процесс и используются в программе подготовки магистров, а также при выполнении курсовых и дипломных работ.
По материалам диссертации опубликовано 25 работ.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 153 страницы текста, 30 рисунков, 14 таблиц, список литературы, который включает 168 наименований.
Частотные и вероятностные параметры Es слоя
В настоящее время наиболее общепринятой теорией образования слоя Es в средних широтах является теория ветрового сдвига (ТВС) [2, 4-5, 8-9], которая была предложена во второй половине 50-х годов DungeyJ.W. и Whitehead J.D. Согласно этой теории, образование слоя повышенной концентрации (слой Es) происходит под действием вертикального сдвига скорости горизонтального ветра в магнитном поле Земли, причем иод ветром понимается упорядоченное движение нейтральной компоненты атмосферы. Направленный на запад ветер увлекает за собой положительные ионы, но под действием силы Лоренца они отклоняются вниз. Направленный на восток ветер и геомагнитное иоле переметают положительные ионы вверх. Если в верхней части некоторого высотного интервала имеет место западно-направленный ветер, а в нижней - восточно-направленный, то в средней его части ионы будут скапливаться до тех пор, пока парциальный градиент давления не уравновесит силы, вызывающие их накопление. Электроны также будут собираться в этой области, перемещаясь под действием кулоновских сил. Таким образом, рассмотренный процесс приводит к образованию тонкого горизонтального слоя с повышенной электронной и ионной концентрацией, расположенного вблизи высоты, где профиль ветра проходит через нуль. Теория ветрового сдвига получила дальнейшее развитие в ряде работ [10-14].
Кроме ТВС, существует ряд альтернативных гипотез возникновения Es слоя. Гипотеза образования Es слоев под действием градиентно-дрейфовой нестабильности состоит в учете одновременного воздействия скрещенных внешнего электрического и геомагнитного полей на частично ионизированную плазму с вертикально направленным градиентом электронной концентрации и предложена авторами работ [15-16]. Под действием распространяющейся плоской волны возмущения, возникнет и будет расти горизонтальная неоднородность ионизированной компоненты. Этот рост будет ограничиваться диффузией и соотношением между процессами ионизации и рекомбинации. Образованные таким способом неоднородности с горизонтальными размерами 200 м будут вытянуты вдоль силовых линий магнитного поля. Данный механизм образования неоднородностей ионизации нашел применение при объяснении авроральных и экваториальных Es слоев [3, 5], однако для среднеширотных слоев этот механизм используется редко, так как он дает возможность объяснить лишь слабоинтенсивные типы Es (с превышением электронной концентрации не более 30% от фоновых значений).
Также существуют гипотезы образования Es слоя, основанные на воздействии турбулентности нейтрального газа [17-18]. Однако, противоречивость экспериментальных данных о высотных вариациях турбопаузы, и о вариациях параметров турбулентности на высотах 80-140 км не позволило предложить убедительной, подтверждающейся экспериментом, теории такого рода [2].
Одной из наиболее распространенных гипотез образования спорадического слоя Е является гипотеза, связывающая образование данного слоя и изменение его параметров с метеорной активностью. Однако при сравнении численности метеорных отражений и вероятности появления Es слоев наличие прямой корреляции не установлено [3-4, 19-20].
Однако при сгорании метеоров в высотном интервале 80-120 км происходит накопление ионов металлов Na+, Са+, Mg+, Si+ и др. Данные ионы имеют большое время жизни, значительно превышающее время жизни молекулярных ионов (02+, N2+ и NO+) [2-3, 5, 9-14]. Благодаря этому металлические ионы могут оказывать значительное влияние на локальную ионную концентрацию только за счет их перемещения нейтральным ветром.
Также в качестве механизма образования спорадического слоя Е предлагалась идея бомбардировки корпускулами верхних слоев атмосферы [21, 23]. В частности потоками электронов с энергиями 10-30 и 100 кэВ, захваченных магнитным полем Земли. Электроны с низкими энергиями должны рассеиваться на рассматриваемых высотах в слое с толщиной 10-20 км. Образовавшаяся при этом дополнительная ионизация достаточна для образования ночного слоя Es и должна перераспределяться под действием ветровых сдвигов. Однако, при этом в ночное время с ростом широты должна увеличиваться вероятность появления Es слоя, PEs. Для средних широт такой зависимости не обнаружено, что ставит под сомнение пригодность этого механизма для объяснения образования Es слоев на средних широтах [2], хотя он может быть эффективным в высоких широтах.
Как уже сказано выше, в настоящее время широкое распространение получила теория ветрового сдвига. Основные положения ТВС понадобятся ниже, поэтому рассмотрим их подробнее. Как показано в [9], перераспределение плазмы состоящей только из ионов типа Ог+ и N0 на высотах слоя Е из-за высокой скорости рекомбинации с электронами не может привести к образованию тонких слоев Es с величинами электронной концентрации, существенно превышающими фоновые. Необходимо наличие металлических ионов (Fe+, Са+, Mg+, Si+ и др.), рекомбинирующих с электронами с меньшими скоростями [10-12].
Для трехкомпонентной плазмы, состоящей из электронов, молекулярных (с индексом «1») и металлических (с индексом «2») ионов, введем обозначения: Ne—концентрация электронов, Nn и NJ2 - концентрации ионов, m, Mj, Мг - массы электрона и ионов, соц - гирочастота электронов, ш и Qn2 - гирочастоты ионов, е-заряд электрона, и - скорость нейтрального газа, к - постоянная Больцмана. Температуры всех сортов частиц считаются одинаковыми (Тс = Tj = Т)
Для трехкомпонентной плазмы в [9] было проанализировано перераспределение электронов и ионов по высоте под влиянием ветра. Ветер считался горизонтальным, учитывалась только наиболее существенная восточно-западная компонента u}(z) (ось z направлена вертикально вверх). Использовалось модельное распределение ветра по высоте в виде: uy=u}0sm(-fz) (1.2) где Ujo - амплитуда и А. - характерный масштаб ветровой структуры. Формирование максимума концентрации будет происходить на уровне z = 0. Ниже индексом "О" отмечены значения невозмущенных концентраций компонент плазмы Neo, Ню и N,20 (до перераспределения плазмы ветром).
Влияние геомагнитных возмущений на параметры среднеширотного слоя Es
Влияние геомагнитной активности на среднеширотный спорадический слой Е изучалось рядом исследователей [2-4,71-93] в течение продолжительного времени.
Так, в обзорных работах [3-4], например, указывается, что в период 1946-1960 г.г. ряд исследователей сообщал об обнаружении уменьшения среднесуточных значений foEs на 0.2 МГц и более в возмущенные дни по сравнению с днями со спокойной геомагнитной обстановкой. Смит [103] на основе анализа данных восьми станций северного полушария обнаружил зависимость вероятности появления Es слоя, PEs, от магнитных условий и широты: уменьшение PEs на 30% наблюдалось для широт между 30N и 60N в магнитовозмущенные дни, в то время как в более высоких широтах PEs увеличивалась, а в более низких не изменялась. ИннНием[104] обнаружил, что в возмущенные дни PEs увеличивалась на 30% между 5N и 30N, но на более высоких широтах PEs уменьшается на 20% и более. Как указано в обзорной работе [3], Глосс (1969г.), Смит (1971г.) и Рове (1973г.) обнаружили положительную корреляцию между параметрами слоя Es и магнитной активностью для вечернего и ночного времени суток.
Таким образом, по результатам обзора ряда работ в [3-4] делается вывод, что исследуемые закономерности реакции слоя Es на геомагнитную активность зависят от широты, сезона, времени суток и типа Es слоя. Полученные результаты носят противоречивый характер, что обусловлено большим количеством факторов, оказывающих влияние на слой Es.
Многими исследователями в своих работах [71-72,75,82,84,88] сообщалось об обнаружении усиления интенсивности спорадического и регулярного слоев Е при увеличении уровня геомагнитной возмущенности. Так, в работе [71] на основе спутниковых измерений интенсивности потока рентгеновского и УФ - излучения в период интенсивных солнечных вспышек, а также модельных расчетов делается заключение о существенном увеличении концентрации отдельных сортов ионов в областях Е и F в периоды интенсивных солнечных вспышек. В работе [72] указывается на значительное (на порядок) увеличение электронной концентрации в слое Es, а также существенное увеличение значений параметров ftEs (максимальная частота, отражающаяся от Es слоя, без разделения отраженных волн на обыкновенную и необыкновенную компоненты) и fbEs после прохождения геомагнитных возмущений. Данная реакция наблюдается с запаздыванием на 1-3 дня по отношению ко времени начала возмущений.
Авторы работы [75] на основе исследований рядов среднесуточных значений потока рентгеновского излучения в интервалах длин волн 8-20 и 44-60 Л и полуденных значений foEs и fbEs сообщают об их значимой положительной корреляции и делают предположение о существовании еще более значимых эффектов для полосы длин волн 60-100 А. Подобный контроль рентгеновским излучением слоев Е и Es, как мы полагаем, может быть использован для объяснения механизма воздействия солнечных вспышек на слой Es.
В [82] при рассмотрении суточных и сезонных вариаций значений параметров foEs, fbEs и h Es обнаружено, что при прохождении интенсивных геомагнитных возмущений наблюдается увеличение значений упомянутых параметров, а при малых значениях Кр слой Es образуется на росте и спаде Кр индексов. При анализе интенсивности слоя Es над Дальним Востоком для 1213 геомагнитных возмущений в работе [84] в 70% случаев наблюдалось усиление Es слоя при условии Кр 4 или АКр 2 в течение предшествующих 11 часов. Для остальных случаев усиление Es слоя (в магнитосиокойные периоды) связывалось с постепенным началом возмущений. Также, в работе [88] обнаружена положительная корреляция ночных значений foEs с К - индексом геомагнитной активности для -40 случаев геомагнитных возмущений за период 1957-1960 г.г. для четырех японских станций.
В работе [153] обнаружено, что эффект геомагнитных возмущений в Es проявляется в увеличении среднесуточных значений PEs и h Es и сделано предположение о его связи с возмущениями скорости ветра вблизи высоты 95 км. Подчеркивается, что реакция среднеширотного Es слоя на геомагнитные возмущения проявляется с запаздыванием в 1-2 дня.
В то же время, ряд исследователей [73-74,78,87,89,91] выявили ослабление Es слоев для периодов повышенной геомагнитной возмущенности.
Так, в работах [73-74, 89] для экваториальных станций сообщается о значительном ослаблении (и даже исчезновении) слоев Es типа q при прохождении геомагнитных возмущений. В работе [78] для станции Иркутск в суточном ходе вероятности появления плотных экранирующих слоев Es найдена отрицательная корреляция с величиной Н-составляющей геомагнитного поля. В [87] также сообщается об обратной корреляции интенсивности Es слоя с геомагнитной активностью. Авторы [91] но данным за 1964-1965 г.г. за периоды хорошо выраженных геомагнитных бурь на основе анализа широтно-временных диаграмм интенсивности слоя Es исследовали развитие реакции авроралыюго Es на геомагнитные возмущения: если за 3 часа до начала возмущения Es наблюдался на всех широтах ночного сектора, то затем для временного интервала 0.5-2 часа до начала возмущения слоя Es постепенно исчезал, начиная с высоких широт, а к моменту начала возмущения полностью исчезал на широтах до 85 N, и значительно ослабевал на широтах до 65 N. Через 1-1.5 часа после начала возмущения наблюдалось восстановление Es слоя на широтах до 80 N.
Анализ долгопериодных вариаций и зависимости от солнечной активности параметров нейтрального ветра
В международной программе STEP («перенос энергии в системе Солнце-Земля») одна из ключевых проблем состоит в изучении влияния глобального изменения активности Солнца и ее вариаций на термосферу и среднюю атмосферу. Солнце является основным источником энергии процессов, как в нижней, так и в верхней атмосфере. Параметры атмосферы испытывает циклические изменения с периодом около 11 лет. Эти вариации являются прямым следствием изменения солнечного излучения, что соответствует 11-летнему циклу солнечной активности. При изучении солнечно-земных связей, как мера солнечной активности широко используется число солнечных пятен (число Вольфа). Также используются и другие индексы солнечной активности, хорошо коррелирующие с числом W, например, F10.7, характеризующий интенсивность радиоизлучения Солнца на волне длиной 10,7 см.
В настоящее время рядом коллективов, проводящих исследования динамических параметров нейтральной атмосферы (преобладающие ветра, приливные движения, турбулентность) в области высот верхней мезосферы — нижней термосферы накоплены длительные, свыше 2-х циклов солнечной активности, ряды данных. Это позволяет провести изучение долговременных изменений указанных динамических параметров и исследовать их зависимость от уровня солнечной активности [114-129, 155-164].
В результате проведенных исследований получены довольно противоречивые результаты. Для различных параметров нейтрального ветра различными исследователями обнаружены как положительная или отрицательная корреляция с уровнем солнечной активности, так и отсутствие значимой связи.
Так, для зональной компоненты преобладающего ветра зимой в [116-117,121,124-126] выявлена положительная корреляция с уровнем солнечной активности, а в [122] — отрицательная. Для зональной компоненты преобладающего ветра летом в работах [116-117,122,124-125] выявлена отрицательная корреляция с уровнем солнечной активности, а в работе [126]- положительная. Кроме того, в работе [152] сообщается об обнаружении влияния вариаций космических лучей (как солнечных, так и галактических) на интенсивность крупномасштабной зональной атмосферной циркуляции (на примере индекса Блиновой), причем эти эффекты обнаруживаются как для отдельных событий в масштабе нескольких суток, так и для 11-летнего солнечного цикла.
Для меридиональной компоненты полученные результаты также неопределенны. В работах [116-117,121] говорится о положительной корреляции меридиональной компоненты преобладающего ветра с уровнем солнечной активности в зимний период, а в работах [124-126]—об отрицательной. Для летнего периода авторы [116-117, 124-126] сообщают о смене знака корреляции меридионального преобладающего ветра с уровнем солнечной активности на противоположный. Таким образом, результаты работ [124-126] и [116-117] противоречат друг другу - в первой группе работ сообщается о положительной корреляции меридиональной компоненты преобладающего ветра с уровнем солнечной активности для летнего периода, а во второй - об отрицательной. В [122] значимой корреляции меридиональной составляющей преобладающего ветра с уровнем солнечной активности не обнаружено.
В ходе исследований, проделанных в Казанском государственном университете и нашедших отражение в ряде работ [115, 155-164], для среднегодовых значений зональной компоненты преобладающего ветра в области высот 80-110 км для периода 1986-1995 г.г. выявлена отрицательная корреляция с уровнем солнечной активности, которая характеризуется числом W и параметром F10,7. Для среднегодовых значений меридиональной компоненты преобладающего ветра в той же области высот и для того же временного отрезка выявлена положительная корреляция с уровнем солнечной активности, причем с ростом высоты выше 95 км зависимость становится более выраженной. [115]
Исследования влияния вариаций солнечной активности на параметры приливных движений, полученные по данным радиометеорных наблюдений в Казани, показали [155-164], что для среднегодовых значений зональной компоненты суточного прилива наблюдается выраженная положительная (R-0.9) корреляция с уровнем солнечной активности (в параметре F10,7), а для среднегодовых значений зональной компоненты полусуточного прилива коэффициент корреляции, оставаясь положительным, уменьшается с высотой.
Другими исследователями для среднесезонных значений зональной составляющей полусуточного прилива получены следующие результаты. Для зимнего периода в работах [117, 112-122, 124-125] и для летнего периода в работах [116, 122, 124-125] выявлена отрицательная корреляция зональной составляющей полусуточного прилива с уровнем солнечной активности. В работе [116] для летнего сезона и в работе [117] — для зимнего значимой корреляции зональной составляющей полусуточного прилива с уровнем солнечной активности не обнаружено.
Однако, в [123] сообщается об отсутствии корреляции приливных движений с уровнем солнечной активности, а в [118] - о высотных вариациях знака корреляции амплитуд приливных движений с уровнем солнечной активности.
Кроме изучения воздействия вариаций солнечной активности на динамические процессы в области высот верхней мезосферы — нижней термосферы, накопленные ряды данных позволяют проводить исследование долгопериодных трендов в параметрах нейтральной атмосферы в указанном высотном интервале. Таковые исследования неоднократно проводились в Германии, Англии, Канаде и России [114, 116-117, 119-120].
Результаты изучения воздействия вариаций солнечной активности на динамические процессы нейтральной атмосферы и результаты о долговременных трендах, полученные различными исследователями, демонстрируют некоторое несоответствие. Так, авторы [117, 120] сообщают об обнаружении отрицательного тренда для амплитуды полусуточного прилива по данным станций, расположенных в Германии (Collm и Kuhlungsborn) и Канаде (Saskatoon), США (Atlanta), России (Обнинск) и Антарктиде (Молодежная) для периода 1964-1994 г.г. В [117] сообщается об обнаружении положительного тренда для меридиональной компоненты преобладающего ветра но данным станций Collm, Kuhlungsborn, Saskatoon, Обнинск и Молодежная и отрицательной -для зональной по данным станций Collm, Kuhlungsborn, Атланта, Обнинск и Молодежная. В [114,116] по данным ст. Collm обнаружен положительный тренд амплитуды полусуточного прилива и сезонная изменчивость знака тренда зонального и меридионального преобладающего ветров за период 1983-1995 г.г. (однако, авторами указывается, что выявленные тренды в большинстве случаев статистически незначимы, возможно по причине смены знака тренда в период 1984-1985 г.г.). Аналогичные изменения знака тренда в период 1984-1985 г.г. во временных рядах были также обнаружены для ст. Coolm, Kuhlungsborn и Молодежная авторами [117, 119-120].
Исследование влияния вариаций геомагнитной активности на параметры нейтрального ветра
В данном разделе решается задача обнаружения эффектов геомагнитных возмущений в поведении динамических процессов нейтральной атмосферы в области высот 80-110 км.
Параметры нейтрального ветра в интервале 80-110 км получены по радиометеорным измерениям в Казани в период 1986-1995 гг. на радаре с высотомером. В связи с выраженными годовыми и полугодовыми вариациями динамических процессов и их высотной изменчивостью нами проводится исследование геомагнитных эффектов как функции высоты и сезона.
Анализ влияния геомагнитных условий на ветер в нижней термосфере проводился для следующих параметров: величина преобладающего ветра, амплитуда и фаза суточного и полусуточного приливов, параметр В, характеризующий нерегулярную структуру ветра в области мезо-масштабных возмущений, горизонтальная дивергенция преобладающего ветра, которая позволяет оценить вертикальную компоненту скорости преобладающего ветра (см. раздел 3.2.2.).
В качестве критерия, на основании которого оценивался уровень геомагнитной активности, использовалась величина среднесуточного значения Кр индекса геомагнитной активности, Кр. При этом при Кр 2,5 геомагнитная обстановка считалась спокойной, а при Кр 2,5 -возмущенной.
Из имеющихся данных о различных компонентах нейтрального ветра были сформированы две выборки для разных состояний геомагнитной активности. В дальнейшем, рассматривалось влияние уровня геомагнитной активности на параметры рассматриваемых выборок раздельно но сезонам. Анализировалась также высотная структура указанных выше динамических параметров и зависимость воздействия вариаций уровня геомагнитной активности на указанные динамические параметры от высоты.
Был проведен анализ влияния геомагнитной активности на преобладающий ветер, усредненный по всему рассмотренному диапазону высот (80-110 км). Результаты проведенного анализа представлены в таблицах 3.2-3.3. Степень различия средних для рассматриваемых выборок оценивалась на основе проверки гипотез о равенстве средних и о превышении среднего при разных условиях. Значимость изменения среднеквадратичного отклонения (СКО) выборок оценивалась по критерию Фишера - Снедекора [50]. Все проверки на статистическую достоверность изменений проводились для уровня значимости 0,05. В таблицах 3.2-3.3 значимые изменения подчеркнуты.
Как следует из проведенного анализа, для зональной компоненты преобладающего ветра наблюдается уменьшение ее величины иод влиянием геомагнитной активности. Это уменьшение статистически значимо только для зимы, но весной и летом характер реакции зональной компоненты сохраняется. Изменения среднесезонных значений зональной компоненты преобладающего ветра под действием геомагнитной активности осенью не наблюдается. Кроме того, для лета и осени имеет место статистически значимое увеличение СКО.
Для значений меридиональной компоненты преобладающего ветра реакция на изменение уровня геомагнитной активности следующая: для всех сезонов наблюдается появление компоненты меридионального ветра, направленной на север, то есть направленный на север ветер усиливается, а направленный на юг - ослабляется. Наблюдаемое изменение меридиональной компоненты преобладающего ветра статистически значимо только для зимы и осени. Для значений меридиональной компоненты преобладающего ветра также наблюдается статистически значимое изменение СКО при увеличении уровня геомагнитной активности для всех сезонов, кроме зимы.
Па рис. 3.9 представлено влияние геомагнитной активности на высотные вариации зональной и меридиональной компоненты преобладающего ветра. Как следует из представленного рисунка, влияние геомагнитной активности на зональную компоненту преобладающего ветра наиболее выражено зимой и летом. Летом наблюдается высотная инверсия направления зонального преобладающего ветра в диапазоне высот 80-95 км. Кроме того, в периоды магнитных возмущений для зональной компоненты преобладающего ветра обнаружено изменение высотного градиента скорости ветра: в диапазоне высот 80-95 км градиент скорости ветра уменьшается, а для высот 95-110 км - увеличивается. В среднем за сезон, в периоды магнитных возмущений зональная компонента преобладающего ветра уменьшается. Изменение среднесезонных значений зональной компоненты для возмущенных магнитных условий на отдельных высотах достигает 50%. В то же время, как следует из приведенных в таблице 3.2 данных, при усреднении по всему рассмотренному высотному диапазону значимой реакции зональной компоненты преобладающего ветра на геомагнитную активность летом не обнаружено, что может быть следствием существования летом высотной инверсии направления зональной компоненты преобладающего ветра.
