КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-17-00042

НазваниеВолновые процессы в атмосфере Земли и их влияние на ионосферу

РуководительЖеребцов Гелий Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2018 г. - 2020 г. 

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-606 - Верхняя и средняя атмосфера

Ключевые словаатмосфера, ионосфера, струйное течение, волновые процессы, внутренние гравитационные волны, перемещающиеся ионосферные возмущения

Код ГРНТИ37.15.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Целью проекта является установление механизма передачи энергии из стратосферы в ионосферу и выявление динамики этой энергии в зависимости от условий солнечной активности и других факторов. Основная задача проекта состоит в выявлении механизма преобразования гравитационного потенциала экваториальной стратосферы/мезосферы, полученного вследствие поглощения солнечного УФ и рентгеновского излучения, в кинетическую энергию динамических структур зимней полярной атмосферы (струйного течения), а затем в энергию внутренних гравитационных волн, распространяющихся в термосферу и ионосферу Земли, и в энергию акустико-гравитационных волн, приводящих к нагреву стратосферы. Актуальность предполагаемого исследования определяется его целью и основной задачей, направленными на выявление механизмов передачи энергии из стратосферы в термосферу и ионосферу. Решение задач переноса энергии между различными слоями атмосферы Земли входит в число приоритетных геофизических исследований. Изучение механизмов влияния процессов в нижней атмосфере на ионосферные возмущения имеет и практический аспект, являясь актуальной задачей для совершенствования схемы оперативного прогноза ионосферной обстановки. В предлагаемом исследовании будут использованы уникальные подходы к описанию нейтральной атмосферы, и новые методы для изучения параметров ионосферы. При успешном выполнении проекта будут получены новые, не имеющие аналогов, данные о динамике волновых процессов в диапазоне высот от стратосферы до внешней ионосферы. Проект предполагает комплексные (теоретические и экспериментальные) исследования для решения поставленной задачи. Теоретическое описание динамики зимней стратосферной циркуляции будет проводиться на основе нового подхода, принципиально отличающегося от традиционного способа линеаризации уравнений гидродинамики. Подход использует более реалистичные модели бароклинной и сдвиговой неустойчивости. Экспериментальные данные о состоянии нейтральной и ионизованной атмосферы в большом диапазоне высот в спокойных и возмущенных условиях будут получены из наблюдений, выполненных на уникальном комплексе инструментов ИСЗФ СО РАН (радар некогерентного рассеяния, спектрометрический комплекс для наблюдения за динамическим и температурным режимом области мезопаузы, интерферометр Фабри-Перо, ионозонд вертикального зондирования, сеть наземных приемников GPS/ГЛОНАСС в Байкальском регионе), а также в базах данных мировых сетей геофизических инструментов (архив реанализа ECMWF Era Interim, мировая сеть приемников глобальных навигационных спутниковых систем). Комплексное использование имеющихся геофизических инструментов и разработанных методов для исследования генерации и распространения волновых возмущений в атмосфере Земли позволит получить наиболее полные сведения о взаимосвязи динамических процессов, происходящих в системе атмосфера-ионосфера в большом диапазоне высот (20-1000 км). Реализация поставленных задач даст дополнительный импульс для развития методик измерений для всей используемой экспериментальной базы. Научная новизна поставленной задачи заключается в развитии новых методов и подходов к исследованию атмосферно-ионосферных связей и получении новых результатов. Методы и подходы к решению поставленных в проекте задач являются полностью оригинальными, и основаны на самых современных разработках теории гидродинамического описания движения нейтрального газа атмосферы, в присутствие бароклинной и сдвиговой неустойчивостей. Для исследования ионосферного некогерентного рассеяния используется новая модель, впервые позволяющая учесть эффекты рефракции в УКВ диапазоне радиоволн, эффекты трехмерной структуры поля волны и диаграммы направленности антенны, а также свойства недавно обнаруженного широкополосного сигнала электронного рассеяния от ионосферы. Методы ГНСС-интерферометрии, разработанные и используемые авторами проекта, являются конкурентными и востребованными при исследовании неоднородной структуры ионосферы. Имеющийся у коллектива научный задел и методики исследования, накопленный опыт по обработке, анализу и интерпретации экспериментальных данных, объединение в рамках проекта специалистов в разных областях физики атмосферы позволяют решить поставленные в проекте задачи.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут впервые получены результаты комплексного исследования генерации и распространения волновых возмущений в верхней атмосфере Земли, которые включают: 1. Исследование вариаций гравитационного потенциала экваториальной стратосферы вследствие изменений потока солнечной радиации в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Исследование вклада мощных рентгеновских вспышек на приращение гравитационного потенциала стратосферы. Исследование воздействия этих экстремальных событий на МНТ область и ионосферу. 2. Исследование вариаций потока струйного течения, определяющего глобальную циркуляцию Бревера-Добсона, в зависимости от уровня солнечной активности, особенно в периоды минимума 2007-2009 гг. Определение временных задержек проявления динамического отклика среднеширотной и субавроральной стратосферы на мощные солнечные возмущения. 3. Модель, описывающая доли энергии, выделяемые струйным течением на формирование ВГВ и на нагрев стратосферы (в частности, во время внезапных стратосферных потеплений (ВСП)). 4. Модель распространения ВГВ из зоны струйного течения в МНТ область. Оценка параметров ВГВ в МНТ области по данным оптических измерений. 5. Установление соответствия характеристик ВГВ в МНТ области и параметров ПИВ в ионосфере по данным ИРНР, ионозондов и ГНСС. 6. Установление по данным ИРНР высоты проникновения ПИВ во внешней ионосфере. 7. Исследование вариаций нейтрального ветра в термосфере и взаимная калибровка измерений нейтрального ветра по данным ИРНР и интерферометра Фабри-Перо. 8. Сравнение пространственной структуры ВГВ в струйном течении и ПИВ по данным ГНСС-интерферометрии для определения зон наилучшего проникновения ВГВ на высоты термосферы. Подход, применяемый к решению задач проекта, не имеет аналогов, и использует ясную и реалистичную физическую модель для описания динамики стратосферы и волновых процессов в нейтральной атмосфере и ионосфере Земли. Основная часть результатов проекта будет получена впервые и будет иметь приоритет в данной области атмосферных исследований.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На основе спутниковых данных NIMBUS-7 за 1978-1979 гг. и UARS за 1991-1993 гг. выполнены теоретические оценки, показавшие, что струйное течение является основным агентом, обеспечивающим баланс энергии в средней атмосфере, при этом область нагрева на высотах озонового слоя 40-60км и плоско-слоистое стратосферное струйное течение представляют собой постоянно действующую тепловую машину, обеспечивающую непрерывный поток энергии и массы потоков воздуха, вызывающих циклогенез. Разработан программный комплекс для отображения данных реанализа ECMWF Era Interim с возможностью просмотра траекторий движения пробных точек в трехмерном поле скоростей ветра. С помощью разработанного комплекса на основе данных реанализа ECMWF Era Interim выявлена типичная схема циркуляции в стратосфере зимнего полушария и проведена оценка временных характеристик переноса в средней атмосфере. По данным реанализа ECMWF Era Interim исследованы спектральные характеристики интегрального меридионального потока воздуха в стратосфере и тропосфере в трех широтных поясах (0-45N; 45-60N; выше 60N). Спектральный анализ показал, что, в среднем, на высотах 30-50 км для высоких широт в вариациях полного меридионального потока преобладают компоненты солнечного термального-гравитационного суточного прилива S1 и лунного полусуточного прилива M2+N2. На высотах нижней стратосферы и тропосферы начинают преобладать вариации, характерные для собственных колебаний океанических течений с периодами ~20 суток. Граница смены колебательного режима средней атмосферы находится на уровне давления 50 гПа (17 км), где происходит, разрушение устойчивой стратосферной циркуляции. Разработан новый метод оценки вкладов солнечной, геомагнитной и атмосферной активности в 27-дневную компоненту максимума электронной концентрации. Метод основан на использовании коэффициентов детерминации для одинарной и двойной линейных регрессий комплексные амплитуд 27-дневных компонент максимума электронной концентрации NmF2, индекса солнечной активности F10.7 и индекса геомагнитной активности Ap. В результате оценки, проведенной с помощью разработанного метода для данных Иркутского ионозонда, установлено, что влияние солнечной и геомагнитной активности на электронную концентрацию в ионосфере над Иркутском имеет существенную сезонную зависимость. На основе нового радиолокационного уравнения, в котором эффект рефракции учитывается при расчете спектров некогерентного рассеяния, в отчетный период разработан алгоритм и программа фитирования (минимизации функционала невязки) для данных Иркутского радар некогерентного рассеяния (ИРНР) 1997-2013 гг. Статистическая точность определения параметров ионосферы при использовании нового метода улучшена в несколько раз по сравнению с ранее применявшимися алгоритмами. Показано, что новый алгоритм позволяет различать достаточно слабые вариации, которые можно использовать для анализа волновых возмущений. Проведен сравнительный анализ проявления активности атмосферных волн различных временных масштабов на высотах мезосферы-нижней термосферы (МНТ) и F2-области ионосферы в периоды внезапных стратосферных потеплений (ВСП) различного типа. Для этого была рассчитана изменчивость вращательной температуры молекулы гидроксила Tm, соответствующая температуре атмосферы на высоте излучения (область мезопаузы), и изменчивость максимума электронной концентрации NmF2. Полученные результаты сопоставлены со средними сезонными значениями атмосферной и ионосферной изменчивости, рассчитанными по данным многолетних измерений Tm и NmF2. Обнаружено, что проявление стратосферных потеплений на высотах верхней атмосферы может значительно отличаться. Так, во время незначительного (minor) ВСП в феврале 2016 г. наибольшие эффекты заключались в увеличении активности приливов и внутренних гравитационных волн. Значительное (major) ВСП в феврале 2018 г. привело к усилению межсуточной атмосферной и ионосферной изменчивости, что может быть вызвано интенсификацией активности планетарных волн в верхней атмосфере. Проведено исследование температурного режима и концентраций химически активных компонентов атмосферы в области мезопаузы в периоды стратосферных потеплений по данным наблюдений эмиссии ОН(6-2) на среднеширотных станциях Торы (51.8N, 103.1E) и Звенигород (55.7N, 36.8E). Обнаружены значительные отличия проявления ВСП на высотах мезопаузы для регионов расположения станций Торы и Звенигород. Выявленные отличия температурного и динамического режимов для двух исследуемых регионов в периоды анализируемых внезапных стратосферных потеплений могут быть обусловлены долготными отличиями динамики нижележащей атмосферы. Проведена систематизация и сформирован согласованный банк экспериментальных данных измерений параметров нейтральной атмосферы и ионосферы на радиофизических и оптических инструментах: Иркутском радаре некогерентного рассеяния, ионозонде DPS-4, международной сети приемников GPS/ГЛОНАСС, региональной сети SibNet приемников GPS/ГЛОНАСС, инфракрасном спектрометре с высоким спектральным разрешением, интерферометре Фабри-Перо. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для работы со спутниковыми данными о температуре, составе и динамике атмосферы, а также данными реанализа. Разработан Web-интерфейс и сетевое программное обеспечение для регулярного пополнения данных спутниковых измерений. Разработана программа расчета индекса короткопериодной возмущенности полного электронного содержания (ПЭС) по данным измерений ГНСС; индекс представляет собой нормированную дисперсию ПЭС на заданном интервале локального времени. Выполнена доработка алгоритма расчета индекса волновой активности ПЭС (WTEC). Усовершенствованный индекс WTEC представляет собой среднюю интенсивность колебаний ПЭС с заданными периодами в ограниченной пространственной области над станцией и отражает уровень волновой активности в ПЭС. Показано, что WTEC может использоваться как эффективный показатель для поиска и анализа ионосферных возмущений, в том числе, для сравнения параметров ПИВ с пространственной структурой ВГВ в струйном течении. Проведена апробация методик ГНСС-детектирования ионосферных возмущений в высоких широтах на примере исследования влияния ударных атмосферных волн на высокоширотную ионосферу во время запусков с космодрома Восточный. Показано, что отклик высокоширотной ионосферы на воздействие ударных атмосферных волн уверенно выделяется в данных высокоширотных станций ГНСС. Все работы, запланированные по проекту на 2018 г., выполнены полностью, все запланированные на 2018 г. научные результаты достигнуты. По результатам исследований, выполненным в 2018 г., опубликовано 10 научных работ, включая 2 статьи в рецензируемых зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных "Web of Science Core Collection" и "SCOPUS"; 2 публикации в изданиях, учитываемых в базе данных "РИНЦ"; 6 тезисов докладов. Подготовлены и отправлены в печать три статьи. Зарегистрировано 2 результата интеллектуальной деятельности. Полученные научные результаты в 2018 г. были представлены на следующих международных и российских конференциях: - 7th IAGA/ICMA/SCOSTEP Workshop on Vertical Coupling in the Atmosphere-Ionosphere System (VCAIS 2018 Workshop), Potsdam, Germany, 2-6 July 2018; - 14th China-Russia Space Weather Workshop, Haikou, China, 5-9 November 2018; - Шестнадцатая Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 12-16 ноября 2018 г.

 

Публикации

1. Воейков С.В., Ясюкевич А.С., Едемский И.К., Перевалова Н.П., Ясюкевич Ю.В. WTEC: a new index to estimate the intensity of ionospheric disturbances Results in Physics, V. 11, P. 1056-1057 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.11.023

2. Медведева И.В., Семенов А.И. Variability of the mesopause temperature and concentrations of reactive components of the mid-latitude atmosphere during sudden stratospheric warmings IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019 (February). V. 231. N 012036. P. 1-10 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1755-1315/231/1/012036

3. Медведева И.В., Семенов А.И. Вариации химически активных компонентов атмосферы в области мезопаузы в периоды стратосферных потеплений по данным наблюдений на среднеширотных станциях Торы и Звенигород Турбулентность, динамика атмосферы и климата. Труды международной конференции, посвященной столетию со дня рождения академика А.М. Обухова. Москва. Изд-во Физматкнига., 2018 (Декабрь). С. 369-378 (год публикации - 2018)

4. Жеребцов Г.А., Перевалова Н.П. Study of atmospheric waves' effects on the high-latitude ionosphere during launches from the Vostochny Space Center 14th China-Russia Space Weather Workshop Haikou, China, Nov.5-9, 2018. Book of abstracts., P. 39. (год публикации - 2018)

5. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Влияние солнечной активности на температуру области мезопаузы и максимум электронной концентрации NmF2 Шестнадцатая Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 12 – 16 ноября 2018 г., Москва, ИКИ РАН. Тезисы докладов., С. 475. (год публикации - 2018)

6. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Comparison of the atmospheric wave activity in the MLT and ionospheric F2-region from the hydroxyl airglow observations and radio sounding 7th IAGA/ICMA/SCOSTEP Workshop on Vertical Coupling in the Atmosphere-Ionosphere System. Book of abstracts., P. 35. (год публикации - 2018)

7. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Manifestations of the atmospheric wave activity in the mesosphere-lower thermosphere (MLT) and ionospheric F2-region 14th China-Russia Space Weather Workshop Haikou, China, Nov.5-9, 2018. Book of abstracts., P. 45. (год публикации - 2018)

8. Ратовский К.Г., Толстиков М.В., Медведев А.В., Ши Дж. Year-to-year variations in wave-like activity derived from Irkutsk and Hainan ionosonde data 14th China-Russia Space Weather Workshop Haikou, China, Nov.5-9, 2018. Book of abstracts., P. 41. (год публикации - 2018)

9. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г. Vertical transport of the winter upper atmosphere in the Northern Hemisphere 7th IAGA/ICMA/SCOSTEP Workshop on Vertical Coupling in the Atmosphere-Ionosphere System. Book of abstracts., P. 23. (год публикации - 2018)

10. Черниговская М.А., Шпынев Б.Г., Хабитуев Д.С. Spectral features of the atmospheric waves inside the strato-mesospheric circumpolar vortex in the Northern Hemisphere 7th IAGA/ICMA/SCOSTEP Workshop on Vertical Coupling in the Atmosphere-Ionosphere System. Book of abstracts., P. 56. (год публикации - 2018)

11. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г. Программа для визуального отображения данных реанализа Era-Interim с возможностью просмотра траекторий движения пробных точек в трехмерном поле скоростей ветра -, 2018619618 (год публикации - )

12. Ясюкевич А.С. Расчёт индекса короткопериодной возмущенности полного электронного содержания по данным измерений глобальных навигационных спутниковых систем -, 2018619801 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На основе данных реанализа ECMWF Era Interim разработан алгоритм расчета и программные модули расчета энергетических характеристик и динамики зимней средней атмосферы. Программные модули включают расчет инсоляции по данным спутниковых измерений и расчет энергии переизлучения молекулами СО2, Н2О и О3 в ИК диапазоне вдоль струйного течения (СТ) в зависимости от фактического распределения содержания озона и углекислого газа. Вклад водяного пара на данном этапе не учитывается, ввиду его малого содержания на рассматриваемых высотах. Тестовые расчеты показали, что для зимнего полушария свойственна не только широтная, но и долготная неоднородность нагрева и ИК потерь, которая связана со структурой струйного течения, переносящего стратосферный озон в средние и высокие широты. При исследовании энергетических характеристик зимнего стратосферного струйного течения, были установлены следующие его свойства. Полная энергия, переносимая СТ за сутки, составляет E~10^17 Дж, и в основном она генерируется в области стратопаузы на высоте ~50 км. За время прохождения СТ от стратопаузы до тропопаузы основная часть энергии СТ (50-70%) уходит на радиационное охлаждение потока вследствие рассеяния тепла трехатомными молекулами в инфракрасном диапазоне. Около 10-15% энергии СТ может уходить на генерацию ВГВ, уносящих волновую энергию в мезосферу и термосферу, и это является основным источником ВГВ в зимней средней атмосфере. ВГВ усиливаются, двигаясь против течения, и распространяются преимущественно в северо-западном направлении. Значительная часть энергии волн может переходить в тепло за счет генерации нелинейных волн, обусловленных неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца, на высотах 30-40 км. Во время внезапных стратосферных потеплений (ВСП) на высотах 30-40 км могут генерироваться обширные поля горизонтальных турбулентностей, в которых кинетическая энергия СТ почти полностью переходит в нагрев стратосферы. Проведено исследование вариаций температуры атмосферы в области мезопаузы и максимума электронной концентрации (NmF2) в зависимости от вариаций солнечной активности в текущем 24-м солнечном цикле. Анализируемый период 2008-2017 гг. Температура области мезопаузы определялась из спектров излучения молекулы ОН(6-2). При помощи гармонического анализа, получены характеристики сезонных вариаций температуры области мезопаузы (средние значения, амплитуды и фазы гармоник) для каждого года из периода 2008-2017 гг. со сдвигом в полгода. Сезонные вариации температуры были сопоставлены с вариациями солнечной активности. В межгодовых изменениях средней температуры мезопаузы, амплитуд и фаз годовой, полугодовой и 4-х месячной осцилляций обнаружены квазипериодические вариации, причиной которых может быть совместное влияние квазидвухлетних колебаний в атмосфере, а также осцилляций с периодом 5.5 лет. Проведенные расчеты показали, что для анализируемого временного интервала отклик средней температуры области мезопаузы на солнечную активность составляет 1.5K/100SFU. Это значение меньше, чем оценка, полученная для других среднеширотных станций в предыдущих солнечных циклах. Обнаруженное отличие может быть связано с низким уровнем солнечной активности в текущем солнечном цикле. Обнаружена значимая корреляция между 27-дневными вариациями максимума электронной концентрации и индексами солнечной и геомагнитной активности, в то время как для температуры мезопаузы значимой корреляции обнаружить не удалось. Выполнено исследование связи уровня короткопериодной возмущенности полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере и волновой активности в стратосфере/нижней мезосфере за период 2002-2018 гг. Для анализа использовались данные ПЭС фазовых двухчастотных измерений приемников GPS/ГЛОНАСС, расположенных в среднеширотном, субавроральном и высокоширотном регионах. Рассчитывался индекс интенсивности вариаций ПЭС (vrTEC), пропорциональный интенсивности ПИВ с периодами до 4 ч, и отражющий уровень ВГВ-возмущенности в ионосфере. Выявлено, что уровень возмущенности ПЭС зависит от солнечной активности в зимнее время года: максимальные значения vrTEC снижаются до 40% в период спада солнечной активности. Показано, что значения индекса vrTEC испытывают регулярные существенные (до 5-6 раз) сезонные изменения с наибольшими значениями в зимние периоды. Сезонные вариации vrTEC с максимумом зимой и минимумом летом не коррелируют с изменениями гелио- геомагнитной активности. Рост уровня короткопериодной возмущенности ПЭС в зимнее время может быть связан с волновыми возмущениями, возникающими в неоднородных, высокоскоростных струйных течениях, ассоциированных с зимними циркумполярными вихрями. Для оценки динамики волновой активности в стратосфере и мезосфере предложен индекс stdW, который рассчитывался как СКО вертикальной скорости нейтрального газа на основе данных архива ERA-Interim Reanalysis (apps.ecmwf.int/datasets/data/). Анализ пространственно-временных распределений величины индекса stdW показал, что в обоих полушариях наблюдаются резкие увеличения значений индекса в периоды локальных зим в приполярных широтах, где в это время существует стратосферный циркумполярный вихрь. В связи с развитием неустойчивостей в высокоскоростных струйных течениях, стратосферный циркумполярный вихрь в зимнее время является источником волновых возмущений с параметрами ВГВ. Сравнительный анализ динамики индексов vrTEC и stdW показал, что значения индексов испытывают схожие регулярные сезонные изменения. Максимумы величин регистрируются в зимние месяцы и до 5-6 раз превышают летние значения. Коэффициент корреляции между индексами ионосферной и атмосферной возмущенности превышает 0.7, возрастает с увеличением высоты и имеет наибольшие значения на станциях, расположенных в полярном регионе, вблизи области существования циркумполярного вихря. Это является свидетельством наличия связи волновой возмущенности в ионосфере с возмущениями, возникающими в зимние месяцы на высотах стратосферы/нижней мезосферы в области стратосферного циркумполярного вихря. С целью исследования долготных эффектов при генерации ВГВ и распространения их на высоты термосферы, в 2019 г. была подготовлена выборка данных измерения на сетях приемников ГНСС в Европе, США, Канаде и данных ионозондов за 2013-2017 гг. вдоль широтного круга ~55N. На основе этих данных и данных реанализа на следующем этапе проекта будет исследована структура и временная динамика вариаций ПЭС и критических частот ионосферы в зависимости от положения активных зон зимнего стратосферного струйного течения. Проведен анализ состояния атмосферы на высотах мезосферы и нижней термосферы (МНТ) в зимний период 2018 и 2019 гг. по данным спектрометрических измерений характеристик излучения ОН(6-2), спутниковым данным MLS Aura и данным реанализа MERRA2. В 2018 и 2019 гг. в северном полушарии наблюдались два значительных (major) зимних внезапных стратосферных потепления (ВСП), сопровождавшихся сменой направления среднезонального (60N, 10 гПа) ветра с западного на восточное: 12-28 февраля 2018 г. и 2-21 января 2019 г. Выявлены отличия отклика состояния МНТ на анализируемые события. Так, на фазе развития ВСП в феврале 2018 г. наблюдался рост интенсивности гидроксильного излучения до 200% и концентрации атомарного кислорода до 400%, который после реверса среднезонального ветра сменился резким уменьшением их значений до минимальных за весь анализируемый временной интервал (01.01.-01.04.2018). Анализ проявления волновой активности в области мезопаузы показал, что наибольший эффект для ВСП в 2018 г. наблюдался в интенсификации межсуточной изменчивости температуры мезопаузы (до ~500% по сравнению со средними сезонными значениями), которая обусловлена влиянием планетарных волн на этих высотах. Для ВСП в 2019 г., на фазе его развития наблюдалось увеличение интенсивности эмиссии (до 300 %) и температуры ОН (до 30К), а также концентрации атомарного кислорода (до 500 %) по сравнению с их значениями до начала стратосферного потепления. Их значения вернулись к первоначальному уровню после окончания ВСП и восстановления зимней картины зональной циркуляции атмосферы. Анализ волновой активности в области МНТ показал, что, в отличие от ВСП 2018 г., наибольшие эффекты были в увеличении внутрисуточной температурной изменчивости: в диапазоне приливов до 400%, в диапазоне ВГВ до 250% по сравнению со средними сезонными значениями. Для задач анализа динамического режима верхней атмосферы в ходе выполнения проекта были разработаны новые методики, расширяющие возможности использования Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР). Разработан новый метод определения вектора скорости нейтрального ветра на основе измерений групповых и фазовых скоростей внутренних гравитационных волн. Проведено сравнение картины зимнего ветра, полученной с помощью нового метода на ИРНР, с данными интерферометра Фабри-Перо и данными эмпирической модели горизонтальных ветров HWM. Сравнительный анализ показал, что измерения ветра с помощью нового метода качественно согласуются с прогнозом модели HWM и находятся в количественном согласии с данными интерферометра Фабри-Перо для зональных и вертикальных скоростей ветра. Проведенная оценка влияния различных компонент нейтрального ветра на высоту максимума электронной концентрации показала, что вклады меридионального и вертикального ветров в скорость дрейфа плазмы близки друг к другу, причем скорость дрейфа плазмы, рассчитанная по суммарному вкладу, имеет наибольший коэффициент корреляции с высотой максимума электронной концентрации по сравнению с вкладами отдельных компонент. Эти результаты показывают важность измерения вертикального ветра и необходимость его учета в физических и эмпирических моделях ионосферы и термосферы. Все работы, запланированные по проекту на 2019 г., выполнены полностью, все запланированные на 2019 г. научные результаты достигнуты. По результатам исследований, выполненным в 2019 г., опубликовано 15 научных работ, включая 6 статей в рецензируемых зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных "Web of Science Core Collection" и "SCOPUS"; 9 публикаций в изданиях, учитываемых в базе данных "РИНЦ"; 3 тезисов докладов. Полученные научные результаты в 2019 г. были представлены на пяти международных и российских конференциях: - 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring Proceedings (PIERS - SPRING), Rome, Italy, 17-20 June 2019; - Международный симпозиум "Атмосферная радиация и динамика" (МСАРД-2019), Санкт-Петербург-Петродворец, 25-27 июня 2019 г.; - XIII Российско-Монгольская международная конференция по астрономии и геофизике "Солнечно-земные связи и геодинамика Байкало-Монгольского региона", Иркутск, 15-19 июля 2019 г.; - XXVI Всероссийская открытая научная конференции "Распространение Радиоволн", Казань, 1-6 июля 2019 г.; - 17-я Всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, 11-15 ноября 2019. 2019.

 

Публикации

1. Жеребцов Г.А., Перевалова Н.П., Медведева И.В. Ionospheric Response to the Atmospheric Waves Generated during First Launches from the Vostochny Space Center 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-SPRING). PIERS Proceedings, - (год публикации - 2019)

2. Медведев А.В., Ратовский К.Г., Толстиков М.В., Васильев Р.В., Артамонов М.Ф. Method for determining neutral wind velocity vectors using measurements of internal gravity wave group and phase velocities Atmosphere, V. 10, N 9, Art.No 546, P. 1-11 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/atmos10090546

3. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Solar Activity Influence on the Mesopause Temperature and F2 Peak Electron Density 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-SPRING). PIERS Proceedings, - (год публикации - 2019)

4. Перевалова Н.П., Ясюкевич А.С., Воейков С.В. Возможности ГНСС для регистрации ионосферных возмущений в арктическом регионе Распространение Радиоволн: труды XXVI Всероссийской открытой научной конференции (Казань, 1-6 июля 2019 г.), Т. I, с. 264-267 (год публикации - 2019)

5. Ратовский К.Г., Жеребцов Г.А., Ташлыков В.П. Method for estimation of solar, geomagnetic, and atmospheric contributions to 27-day component of peak electron density Results in Physics, V. 13, Art.No 102268, P. 1-2 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102268

6. Сетов А.Г., Васильев Р.В., Кушнарев Д.С., Медведев А.В. Метод определения абсолютного значения солнечного потока на Иркутском радаре некогерентного рассеяния Распространение Радиоволн: труды XXVI Всероссийской открытой научной конференции (Казань, 1-6 июля 2019 г.), Т. 1, с. 315-318 (год публикации - 2019)

7. Ташлыков В.П., Сетов А.Г., Медведев А.В., Лебедев В.П., Кушнарев Д.С. Ground Clutter Deducting Technique for Irkutsk Incoherent Scatter Radar Proceedings of 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP), P. 175-178 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1109/RWP.2019.8810369

8. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г., Сетов А.Г. Новая методика фитирования для Иркутского радара некогерентного рассеяния Распространение Радиоволн: труды XXVI Всероссийской открытой научной конференции (Казань, 1-6 июля 2019 г.), Т. I, с. 176-179 (год публикации - 2019)

9. Шпынев Б.Г., Хабитуев Д.С., Черниговская М.А. Dynamical Effects in Middle Atmosphere Energy Balance 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-SPRING). PIERS Proceedings, - (год публикации - 2019)

10. Шпынев Б.Г., Хабитуев Д.С., Черниговская М.А., Зоркальцева О.С. Role of winter jet stream in the middle atmosphere energy balance Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, V. 188, P. 1-10 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.03.008

11. Шпынев Б.Г., Черниговская М.А., Ратовский К.Г., Хабитуев Д.С. Связь волновых возмущений в зимней ионосфере с динамикой стратосферы Распространение Радиоволн: труды XXVI Всероссийской открытой научной конференции (Казань, 1-6 июля 2019 г.), Т. I, с. 323-327 (год публикации - 2019)

12. Ясюкевич А.С., Черниговская М.А., Шпынев Б.Г., Хабитуев Д.С. Связь короткопериодной ионосферной возмущенности с солнечной активностью и вариациями в зимней полярной стратосфере Распространение Радиоволн: труды XXVI Всероссийской открытой научной конференции (Казань, 1-6 июля 2019 г.), Т. I, с. 384-387 (год публикации - 2019)

13. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Исследование волновой активности в верхней нейтральной атмосфере и ионосфере в периоды действия зимних внезапных стратосферных потеплений различного типа Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (Москва, 11-15 ноября 2019), с. 484 (год публикации - 2019)

14. Перевалова Н.П., Жеребцов Г.А., Серов М.А., Жижерин В.С. Воздействие волн от стартов ракет с космодрома Восточный на ионосферу Земли Международный симпозиум "Атмосферная радиация и динамика" (МСАРД-2019), Санкт-Петербург-Петродворец, 25-27 июня 2019 г. Тезисы., с. 12-13 (год публикации - 2019)

15. Перевалова Н.П., Жеребцов Г.А., Серов М.А., Жижерин В.С. Мониторинг ионосферных возмущений во время стартов ракет с космодрома Восточный XIII Российско-Монгольская международная конференция по астрономии и геофизике "Солнечно-земные связи и геодинамика Байкало-Монгольского региона" (Иркутск, 15-19 июля 2019 г.) Тезисы докладов., с. 20 (год публикации - 2019)

16. - Спутниковые системы помогут следить за ионосферой портал Indicator, Пресс-релиз опубликован 10 декабря 2018 в 22:50 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследования модели распространения внутренних гравитационных волн по схеме: генерация в зоне струйного течения на высотах стратосферы – распространение в область мезосферы и нижней термосферы – распространение в область верхней термосферы позволили получить следующие результаты. В спокойных геомагнитных условиях стратосферная активность может рассматриваться как основной источник внутренних гравитационных волн в верхней термосфере. Возрастание/уменьшение стратосферной активности не приводит к значительному возрастанию/уменьшению возмущенности волновых характеристик. В случае значительной возмущенности характеристик внутренних гравитационных волн сдвиговая корреляция возмущенности волновых характеристик и стратосферной активности может объясняться тем, что оба явления могут являться следствием воздействия мощной планетарной волны. Изменение стратосферной активности обусловлено воздействием планетарной волны на высотном уровне давления 1 гПа, тогда как изменение возмущенности волновых характеристик связано с изменением ветровой картины на высотах мезосферы и нижней термосферы в результате воздействия планетарной волны. Запаздывание возмущенности волновых характеристик может объясняться соответствующим запаздыванием температурных вариаций на высотах мезосферы и нижней термосферы относительно температурных вариаций на высотном уровне давления 1 гПа. С использованием данных полного электронного содержания ионосферы, данных о температуре атмосферы на высоте мезопаузы, и реанализа ERA Interim Reanalysis проведено комплексное исследование короткопериодной возмущенности параметров ионосферы, мезосферы и стратосферы в среднеширотном, субавроральном и высокоширотном регионах наблюдения. В сезонном ходе уровня короткопериодной возмущенности параметров верхней мезосферы и ионосферы выявлены схожие изменения. Максимальная возмущенность наблюдается в зимние месяцы и превышает значения в летний период до 5-6 раз. Выявлено, что возмущенность в стратосфере испытывает аналогичные регулярные сезонные колебания с максимумом в зимние месяцы. Обнаружена значимая корреляция между уровнями возмущенности в верхней мезосфере и ионосфере и показателем стратосферной возмущенности. Показано, что корреляция выше для пары индексов возмущенности в стратосфере-мезосфере (более 0.8), чем для стратосферы-ионосферы (до 0.7). Уровни корреляции также возрастают по мере увеличения широты и максимальны для высокоширотного пункта, расположенного ближе к струйному течению. Полученные результаты свидетельствуют о наличии сильной взаимосвязи между короткопериодной возмущенностью в ионосфере, верхней мезосфере и в субавроральной стратосфере. Выявленная взаимосвязь является свидетельством воздействия волновых возмущений, возникающих в зимние месяцы в области стратосферного циркумполярного вихря, на параметры верхней стратосферы и ионосферы. По данным измерений температуры области мезопаузы и максимума электронной концентрации NmF2 проведен сравнительный анализ активности атмосферных волн различных временных масштабов (планетарные волны, приливы, внутренние гравитационные волны) в периоды действия зимних внезапных стратосферных потеплений (ВСП) в феврале и марте 2016 и феврале 2017г. Обнаружены значительные различия проявления волновой активности в верхней атмосфере в периоды анализируемых ВСП. Так, во время незначительного (minor) ВСП в феврале и финального ВСП в марте 2016 г. наибольшие эффекты наблюдались в увеличении внутрисуточной атмосферной и ионосферной изменчивости с периодами приливов и внутренних гравитационных волн. Незначительное (minor) ВСП в феврале 2017 г., в отличие от событий ВСП в феврале и марте 2016 г., привело к усилению межсуточной атмосферной изменчивости в области мезопаузы, которая может быть вызвана интенсификацией активности планетарных волн в верхней атмосфере. Анализ межсуточных вариаций NmF2 показал, что в F2 области ионосферы через 21 день после максимума ВСП наблюдались волнообразные возмущения, которые могут быть связаны с ВСП. Предложен метод анализа аномальных отклонений в поведении абсолютного наклонного ПЭС на отдельных лучах "приемник ГНСС - спутник ГНСС" для детектирования достаточно крупномасштабных ионосферных неоднородностей. С помощью предложенного метода по данным четырех ГНСС-станций обнаружен высокоширотный ионосферный провал 5 мая 2013 г., располагавшийся на дневной стороне в области долгот 25-185E и широт 68-80N. Определено положение полярной и экваториальной стенок, а также минимума провала. Установлено, что в течение периода регистрации (около 2.5 ч) провал сместился к югу на 2-4º. Полученные экспериментальные результаты подтвердились данными численного моделирования. Моделирование условий в высокоширотной ионосфере в период 4-6 мая 2013 г., выполненное с помощью модели ионосферно-плазмосферного взаимодействия, разработанной в ИСЗФ СО РАН, показало, что 5 мая 2013 г. на дневной стороне в области долгот 40-200E и широт 78-85N располагался высокоширотный провал. Наиболее вероятной причиной образования высокоширотного провала явилось изменение магнитосферной конвекции, вызванное умеренными геомагнитными возмущениями (суббурями) 4-5 мая 2013 г. При помощи разработанной на предыдущем этапе выполнения проекта методики обработки данных Иркутского радара некогерентного рассеяния, позволившей повысить точность определения ионосферных параметров, проведено исследование профилей электронной концентрации. Восстановленные по новой методике профили электронной концентрации обладают высокой степенью детализации, что позволяет проводить диагностику волновых возмущений ионосферы различных масштабов. Анализ с помощью новой методики временных вариаций электронной концентрации выявил волновые возмущения электронной концентрации с периодами от 30 мин до нескольких часов, представляющих собой перемещающиеся ионосферные возмущения. Наличие таких ионосферных возмущений может свидетельствовать о проникновении внутренних гравитационных волн из нижних слоев атмосферы. С увеличением высоты ионосферные возмущения ослабевают и перестают наблюдаться на высотах порядка 600-700 км в дневные часы и 500-600 км в ночное время. Таким образом, высота ~ 700 км может считаться предельной высотой проникновения перемещающиеся ионосферных возмущений во внешнюю ионосферу. Получены оценки потерь энергии СТ, уходящих на формирование развитой турбулентности в стратосфере. Развитая турбулентность представляет собой один из типов волновых возмущений, генерируемых СТ и относящийся к акустическому типу колебаний. Процесс формирования развитой турбулентности представляет собой один из каналов потерь энергии СТ. Проведенные оценки показали, что потери на формирование развитой турбулентности не превышают 1% от полной энергии СТ. На основе обобщения полученных в ходе выполнения проекта оценок потенциальной энергии, генерируемой в тропической стратосфере в результате поглощения УФ радиации стратосферным озоном, а также энергетических характеристик и динамики СТ, сформирована общая схема энергетического баланса стратосферного струйного течения. СТ формируется и получает энергию в тропической стратосфере за счет поглощения УФ радиации стратосферным озоном. Величина этой энергии составляет ~10^18 Дж в сутки. Потери потенциальной энергии, запасенной струйным течением, имеют насколько составляющих: потери при опускании СТ достигают 70% от энергии, полученной СТ в тропической стратосфере (при опускании на 0.5 км за сутки); потери на инфракрасное излучение трехатомными молекулами могут составлять до 50-70% в сравнении с энергией, полученной СТ в тропической зоне; потери на возбуждение ВГВ могут составлять до 10-15% от энергии, полученной СТ в тропической зоне; потери на формирование развитой турбулентности не превышают 1% от энергии, полученной СТ в тропической зоне. Все работы, запланированные по проекту на 2020 г., выполнены полностью, все запланированные на 2020 г. научные результаты достигнуты. По результатам исследований, выполненным в 2020 г., опубликовано 7 научных работ, включая 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в базах данных "Web of Science Core Collection" и "SCOPUS" (в том числе 1 статья в журнале, входящем в квартиль Q1 в базах данных "SCOPUS"); 3 публикации в изданиях, учитываемых в базе данных "РИНЦ"; 1 тезис доклада. Зарегистрирован 1 результат интеллектуальной деятельности. Издана монография. Научные результаты, полученные в ходе выполнения проекта в 2020 г., были представлены на двух международных конференциях: - XXVI Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", Москва, 06-10 июля 2020 г., - EGU General Assembly 2020 (online 4-8 May 2020).

 

Публикации

1. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Отклик температуры области мезопаузы и максимума электронной концентрации на солнечную активность в текущем солнечном цикле Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXVI Международного симпозиума, стр. Е144-Е148 (год публикации - 2020)

2. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Manifestation of wave activity in the upper atmosphere during winter sudden stratospheric warmings Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, V. 17, No. 6, P. 159-166 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-6-159-166

3. Перевалова Н.П., Романова Е.Б., Тащилин А.В. Detection of high-latitude ionospheric structures using GNSS Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, V. 207, Art.No 105335, P. 1-14 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105335

4. Сетов А.Г., Кушнарев Д.С., Васильев Р.В., Медведев А.В. Long-term solar flux observations with Irkutsk Incoherent Scatter Radar (IISR) in 2011-2019 Solar-Terrestrial Physics, V. 6, N 3, P. 29-33 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.12737/stp-63202004

5. Ясюкевич А.С., Медведева И.В., Сивцева В.И., Черниговская М.А., Аммосов П.П., Гаврильева Г.А. Strong Interrelation between the Short-Term Variability in the Ionosphere, Upper Mesosphere, and Winter Polar Stratosphere Remote Sensing, V. 12, N 10, Art.No 1588, P. 1-15 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/rs12101588

6. Жеребцов Г.А., Перевалова Н.П., Шпынев Б.Г., Медведева И.В., Ратовский К.Г., Хабитуев Д.С., Ясюкевич А.С. Волновые процессы в атмосфере Земли и их влияние на ионосферу Волновые процессы в атмосфере Земли и их влияние на ионосферу, Издательство ГЕОС, Москва., 198 с. + 18 с. цв. вкл. (год публикации - 2020)

7. Ратовский К.Г., Медведева И.В., Ясюкевич А.С., Шпынев Б.Г., Хабитуев Д.С. Correlation between wave activities in different layers of the atmosphere EGU General Assembly 2020, Online, 4-8 May 2020. Abstracts., Abstr.No EGU2020-6863 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-6863

8. Медведева И.В., Перминов В.И. Расчёт характеристик собственного излучения атмосферы в ближней инфракрасной области спектра -, 2020610169, дата ата государственной регистрации 10.01.2020 (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для решения практических задач, связанных с разработками моделей верхней нейтральной атмосферы и ионосферы; конструированием систем краткосрочного и долгосрочного прогнозирования и обеспечения стабильной работы радиотехнического оборудования, радиосвязи и навигации. Изучение механизмов влияния процессов в нижней атмосфере на ионосферные возмущения является актуальной задачей для совершенствования схемы оперативного прогноза ионосферной обстановки. При выполнении Проекта были созданы три программных продукта, на которые получены Свидетельства государственной регистрации.