Аналіз збурень в високоширотній іоносфері під час багатокрокової магнітної бурі 4-5 листопада 2023 року за даними радару некогерентного розсіяння
Анотація
Актуальність. Іоносфера є ключовим радіоканалом для здійснення сеансів радіозв’язку, навігації, радіолокації, дистанційного зондування та радіоастрономії. Її стан визначає якість роботи наземних і космічних технологічних систем. Найпотужніші збурення параметрів іоносфери спричиняють сонячні бурі. Як наслідок, може порушуватися або унеможливлюватися проведення сеансів радіозв’язку, розв’язання завдань радіонавігації, радіолокації та радіозондування навколоземного та дальнього космічного простору. Найбільш чутлива до таких впливів високоширотна іоносфера (понад ±60°), де одночасно проявляються магнітосферна конвекція, посилення струмів, джоулевий нагрів і висипання енергійних частинок. Радар некогерентного розсіяння дає змогу вивчати часову й просторову динаміку ключових параметрів іоносфери — температур електронів та іонів, електронної концентрації, плазмових швидкостей і іонного складу. Оскільки зміни стану іоносферного каналу можуть спричиняти збої або унеможливлювати проведення сеансу радіозв’язку, роботи пристроїв радіонавігації та позиціонування за допомогою супутникових систем навігації, комплексне дослідження таких збурень є актуальним.
Метою роботи є дослідження за допомогою радару некогерентного розсіяння особливостей збурень у високоширотній іоносфері, що супроводжували унікальну багатокрокову геомагнітну бурю.
Методи і методологія. За даними вимірювань радару некогерентного розсіяння Poker Flat (Аляска, США) протягом багатокрокової магнітної бурі 4-5 листопада 2023 року проведено дослідження та встановлення параметрів збурень високоширотної іоносфери у північній півкулі.
Результати. Встановлено, що найбільші збурення спостерігалися в ніч 4-5 листопада та в другій половині 5 листопада та супроводжувалися екстремальними значеннями Ti до (5–6)·10³ K, великими швидкостями E×B дрейфу (>500 м/с), локальними збуреннями Te та падінням O⁺/N₂. Ефекти якісної зміни хімічного складу іоносферної плазми та термосфери (зміна розподілу по висоті значень відношення O⁺/N₂ та висоти рівня біля 0,5) відіграли ключову роль у формуванні негативної фази іоносферної бурі, особливо 5–6 листопада, коли Ne залишалася заниженою при підвищених температурах і збереженні конвекції. Відновлення після цих збурень зайняло щонайменше дві доби: спочатку відновилася концентрація електронів (22:00 6 листопада – 8:00
8 листопада), потім повернулися до фонових значень температури електронів і іонів, швидкості дрейфу плазми, тоді як посилені конвективні процеси на висотах більших 360 км зберігалися до кінця періоду спостережень.
Завантаження
Посилання
Levis C, Johnson T, Teixeita L. Radiowave Propagation: Physics and Applications. John Wiley & Sons Inc. WILEY. 2010. 320 p.
Allnutt J. Satellite to Ground Radiovawe Propagation. IET. 2011. 696 p.
Cherhogor L. Physics of geospace storms. Space Sci. & Technol. 2021;27(1):03–77. DOI:10.15407/knit2021.01.003
Chernogor LF. A two-step geospace storm as a new tool of opportunity for experimentally estimating the threshold condition for the formation of a substorm current wedge. Ann. Geophys. 2025;43:15–35. https://doi.org/10.5194/angeo-43-15-2025
Chernogor LF. Energetics of physical processes operated on May 8–12, 2024: From the solar storm to lithospheric disturbances. Adv. Space Res. 2025;75(6):4825–4849. https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.12.069
Chernogor LF. What are a geospace storm and a pan-planetary storm? Adv. Space Res. 2025;76(9):5640–5657. https://doi.org/10.1016/j.asr.2025.08.016
Agyei-Yeboah E., Fagundes PR., Tardelli A., Pillat V., Vieira FJA., Bolzan MJA. Global ionospheric response to a G2 and a G3 geomagnetic storms of November 4 and 5, 2023. Adv. Space Res. 2025;75:5580–5602. https://doi.org/10.1016/j.asr.2025.01.046
Site of NOAA organisation. Available from: https://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-explanation
Muldrew D. F Layer lonization Troughs Deduced from Alouette Data. J. Geophys. Res. 1965;70:2635-2650. 10.1029/JZ070i011p02635
Sharp GW. Midlatitude trough in the night ionosphere. J. Geophys. Res. 1966;71(5):1345–1356. 10.1029/JZ071i005p01345
Taylor JrHA., Walsh W.J. The light-ion trough, the main trough, and the plasmapause. J. Geophys. Res. 1972;77(34):6716–6723. 10.1029/JA077i034p06716
Knudsen WC. Magnetospheric convection and the high-latitude F2 ionosphere. J. Geophys. Res. 1974;79(7):1046–1055. 10.1029/JA079i007p01046
Knudsen WC., Banks PM., Winningham JD., Klumpar DM. Numerical model of the convecting F 2 ionosphere at high latitudes. J. Geophys. Res. 1977;82(29):4784–4792. 10.1029/JA082i029p04784
Quegan S., Bailey G.J., Moffet R.J., Heelis R.A., Fuller-Rowell T.J., Rees D., Spiro R.W. A theoretical study of the distribution of ionization in the high-latitude ionosphere and the plasmasphere: First results on the mid-latitude trough and the light-ion trough. J. Atmos. Terr. Phys. 1982;44:619–640. https://doi.org/10.1016/0021-9169(82)90073-3
Sojka JJ, Raitt WJ, Schunk RW. A Theoretical Study of the High-Latitude Winter F Region at Solar Minimum for Low Magnetic Activity. J. Geophys. Res. 1981;86(A2):609–621. 10.1029/JA086iA02p00609
Watkins BJ. A numerical computer investigation of the polar F-region ionosphere. Planet and Space Sci. 1978;26(6):559 ̶ 569. https://doi.org/10.1016/0032-0633(78)90048-X
Sojka JJ., Raitt WJ., Schunk RW. Effect of displaced geomagnetic and geographic poles on high-latitude plasma convection and ionospheric depletions. J. Geophys. Res. 1979;84(10):5943–5951. https://doi.org/10.1029/JA084iA10p05943
Aarons J. Global morphology of ionospheric scintillations. Proc. IEEE, 1982;70(4):360–378. https://doi.org/10.1109/PROC.1982.12314
Aarons J. 50 years of radio-scintillation observations. IEEE Antennas Propag. Mag. 1997;39(6):7–12. https://doi.org/10.1109/74.646785
Kelley MC. The Earth’s Ionosphere. Plasma Physics and Electrodynamics. Academic Press. 2009. 551p.
Schnuk RW., Nagy AF. Ionospheres. Physics, Plasma Physics, and Chemistry. Cambridge University Press. 2009. 628p.
Chappell CR, Schunk RW, Banks PM, Thorne RM, Burch JL. Magnetosphere ̶ Ionosphere Coupling in the Solar System. Wiley. 2016. 414p.
International Communication Union. Handbook, the ionosphere and its effects on radiowave propagation. International Telecommunication Union Radiocommunication Bureau. 1998. 153p.
Blaunstein N., Plohotniuk E. Ionosphere and applied aspects of radio communication and radar. CRC Press. 2008. 600p.
Campbell WH. Observation of electrical currents in the Alaska oil pipeline resulting from auroral electrojet current sources. Geophys. J. R. Astron. Soc. 1980;61:437–448.
Boteler DH. Geomagnetic effects on the pipe-to-soil potentials of a continental pipeline. Adv. Space Res. 2000;26(1):15–20. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(99)01020-0
Boteler DH. Geomagnetic hazards to conducting networks. Nat. Hazards. 2003;28:537–561. https://doi.org/10.1023/A:1022902713136
Boteler DH., Pirjola RJ., Nevanlinna H. The effects of geomagnetic disturbances on electrical systems at the Earth’s surface. Adv. Space Res. 1998;22(1):17–27. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)01096-X
Adeniyi JO. Magnetic storm effects on the morphology of the equatorial F2-layer. J. Atmos. Terr. Phys. 1986;48(8):695.
Wu YW., Liu RY., Zhang BC., Wu ZS., Hu HQ., Zhang SR., Zhang QH., Liu JM., Honary F. Multi-instrument observations of plasma features in the Arctic ionosphere during the main phase of a geomagnetic storm in December 2006. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013;105:358.
Förster M., Jakowski N. Geomagnetic storm effects on the topside ionosphere and plasmasphere: a compact tutorial and new results. Surv. Geophys. 2000;21(1):47.
Borries C., Jakowski N., Wilken V. Storm induced large scale TIDs observed in GPS derived TEC. Ann. Geophys. 2009;27(4):1605.
Hunsucker RD. Atmospheric gravity waves generated in the high-latitude ionosphere: A review. Rev. Geophys. 1982;20(2):293.
Song Q., Ding F., Wan W., Ning B., Liu L., Zhao B., Li Q., Zhang R. Statistical study of large-scale traveling ionospheric disturbances generated by the solar terminator over China. J. Geophys. Res. Space Phys. 2013;118(7):4583.
Tsugawa T., Saito A., Otsuka Y. A statistical study of large-scale traveling ionospheric disturbances using the GPS network in Japan. J. Geophys. Res. Space Phys. 2004;109(A6).
Tsugawa T., Otsuka Y., Coster A.J., Saito A. Medium-scale traveling ionospheric disturbances detected with dense and wide TEC maps over North America. Geophys. Res. Lett. 2007;34(22).
Hernández-Pajares M., Juan J.M., Sanz J., Aragón-Àngel A. Propagation of medium scale traveling ionospheric disturbances at different latitudes and solar cycle conditions. Radio Sci. 2012;47(6).
Nishioka M., Saito A., Tsugawa T. Super-medium-scale traveling ionospheric disturbance observed at midlatitude during the geomagnetic storm on 10 November 2004. J. Geophys. Res. Space Phys. 2009;114(A7).
Georges TM. Infrasound from convective storms: Examining the evidence. Rev. Geophys. 1973;11(3):571.
Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982–1995. Ann. Geophys. 1996;14(9):917.
Site of the OmniWeb mission. Available from: https://omniweb.gsfc.nasa.gov
Site of the World Data Center for Geomagnetism, Kyoto. Available from: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp
Site of Madrigal database. Available from: millstonehill.haystack.mit.edu
Nicolls MJ., Varney RH., Vadas SL., Stamus PA., Heinselman CJ., Cosgrove RB., Kelley MC. Influence of an inertia-gravity wave on mesospheric dynamics: A case study with the Poker Flat Incoherent Scatter Radar. J. Geophys. Res. 2010;115:D00N02. doi:10.1029/2010JD014042
Michell RG., Grydeland T., Samara M. Characteristics of Poker Flat Incoherent Scatter Radar (PFISR) naturally enhanced ion-acoustic lines (NEIALs) in relation to auroral forms. Ann. Geophys. 2014;32:1333–1347. https://doi.org/10.5194/angeo-32-1333-2014
Site of Advanced Modular Incoherent Scatter Radar. Available from: https://amisr.com/amisr/links/data-access/
Site of SRI ISR Database. Available from: https://data.amisr.com/database/61/exp-list/2023/11/
Panasenko S, Aksonova K, Kotov D. Characteristics of traveling ionospheric disturbances from incoherent scatter data: monograph. Primedia ELaunch LLC. 2021. 148p. https://doi.org/10.36074/PaAkKo.monograph-2021
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
