Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия нейтральной и ионизованной компонент атмосферы Земли

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 проекта 22-17-00146

НазваниеЭкспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия нейтральной и ионизованной компонент атмосферы Земли

Руководитель Жеребцов 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

Конкурс №68 - Конкурс 2022 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 слова атмосфера, ионосфера, взаимодействия атмосферных слоев, волновые процессы, ионосферные возмущения

Код ГРНТИ37.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на комплексное (экспериментальное и теоретическое) изучение процессов взаимодействия нейтральной и ионизованной компонент атмосферы Земли с использованием большого массива экспериментальных данных, получаемых на комплексе инструментов Института солнечно-земной физики СО РАН (ИСЗФ СО РАН), спутниковых данных и усовершенствованной численной модели ионосферы и плазмосферы, разработанной в ИСЗФ СО РАН. Актуальность предлагаемых исследований обусловлена наблюдаемыми в последние годы изменениями климата, активным освоением космоса, стремительным развитием и глобализацией технологических систем, что требует оперативной диагностики и прогноза условий в околоземном космическом пространстве. Изучение механизмов связи процессов в нейтральной атмосфере и ионосферных возмущений будут способствовать углублению фундаментальных знаний о ближнем космосе, необходимых для решения таких важных практических задач, как повышение надежности спутниковых и наземных технологических систем, снижение количества и уровня угроз здоровью и жизни людей. В результате выполнения настоящего проекта будут получены уникальные экспериментальные данные и новые знания о процессах взаимодействия в системе "нейтральная атмосфера - ионосфера". Результаты и выводы проекта будут основаны на комплексном анализе полученных с высоким временным разрешением экспериментальных данных долговременных координированных наблюдений характеристик нейтральной и ионизованной атмосферы на различных высотах с помощью спектрометрических и радиофизических методов, включая уникальные данные Иркутского радара некогерентного рассеяния. Получение сведений о состоянии нейтральной атмосферы и ионосферы в режиме мониторинга с большим временным разрешением является крайне актуальной и важной задачей как для оценки текущего состояния атмосферы, так и для понимания климатических изменений на этих высотах. В основные задачи проекта входят: - исследование долговременных изменений параметров ионосферы на основе данных многолетних измерений на комплексе инструментов ИСЗФ СО РАН; - количественная оценка влияния изменения параметров нейтральной атмосферы на ионосферные характеристики при помощи численного моделирования; - сравнительный анализ волновой активности в нейтральной атмосфере и волновых процессов в ионосфере на различных временных масштабах. Для решения задач, поставленных в проекте, будут использованы и усовершенствованы разработанные его участниками новые методики анализа параметров нейтральной атмосферы и ионосферы. Будет проведена модификация разработанной в ИСЗФ СО РАН численной модели ионосферы и плазмосферы, что позволит впервые получить количественную оценку влияния изменения параметров нейтральной атмосферы на ионосферные характеристики при помощи численного моделирования. Для исследования долговременных вариаций ионосферных характеристик будет разработан новый метод регрессионного анализа длинных рядов ионосферных параметров, учитывающий вклады солнечной и геомагнитной активности, а также наличие долговременного тренда. Впервые для анализа долговременных изменений ионосферных параметров будут использованы данные Иркутской станции вертикального зондирования, которая имеет более чем 60-летнюю историю и обеспечивает данные с 1955 г. по настоящее время. Расположение станции в долготном секторе, где для данной географической широты реализуется максимальное удаление от геомагнитного полюса, представляет особый интерес и позволит получить уникальные результаты. Для оценки взаимосвязи волновой активности в нейтральной атмосфере и волновых процессов в ионосфере на различных временных масштабах будет использована разработанная ранее методика комплексного анализа атмосферной и ионосферной изменчивости, которая получит свое дальнейшее развитие при выполнении проекта. Научная новизна предлагаемых исследований заключается в развитии новых методов и подходов к изучению атмосферно-ионосферных связей с использованием комплексного анализа экспериментальных данных различных характеристик нейтральной и ионизованной атмосферы, полученных наземными и спутниковыми методами, и модельных расчетов, что позволит получить новые уникальные результаты мирового уровня. Комплексный подход к изучению процессов в системе нейтральная атмосфера-ионосфера с использованием данных наблюдений параметров верхней нейтральной и ионизованной атмосферы различными инструментами и численного моделирования, с использованием уникальных методик, разработанных авторским коллективом, позволят получить новую информацию о процессах взаимосвязи различных слоев атмосферы, и существенно продвинуться в понимании роли различных динамических и физико-химических процессов в околоземном космическом пространстве. Объединение в рамках проекта специалистов в разных областях физики атмосферы, имеющих опыт совместных исследований, имеющийся у коллектива научный задел, экспериментальное оборудование и методики исследования, накопленный опыт и знания по обработке, анализу и интерпретации экспериментальных данных, обосновывают достижимость решения поставленной задачи и возможность получения новых результатов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Проявление эффектов геомагнитных бурь на высотах мезопаузы и F2-области ионосферы Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 14–18 ноября 2022 г., c. 375 (год публикации - 2022)
10.21046/20DZZconf-2022a

2. Медведева И.В., Ратовский К.Г., Толстиков М.В. Межгодовые вариации температуры мезопаузы и максимума электронной концентрации по данным спектрометрических и радиофизических измерений в Восточной Сибири Всероссийская конференция с международным участием, посвященная памяти академика А.М. Обухова "Турбулентность, динамика атмосферы и климата", ИФА им. А.М. Обухова РАН, Москва, 22-24 ноября 2022 г. Тезисы докладов., с. 189 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Multi-Year Variations in Temperature in Mesopause Region and F2-Region Peak Electron Density over Eastern Siberia Atmosphere, V. 14, Art.No. 391, P. 1-16 (год публикации - 2023)
10.3390/atmos14020391

2. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Effects of geomagnetic storms in the mesopause region and F2-layer of the ionosphere Atmosphere, ionosphere, safety: Proceedings of VIII International Conference (AIS-2023). Kaliningrad: Algomat., p. 121-124 (год публикации - 2023)
10.59043/9785604204474_121

3. Куркин В.И., Медведева И.В., Подлесный А.В. Effect of sudden stratosphere warming on characteristics of medium-scale traveling ionospheric disturbances in the Asian region of Russia Advances in Space Research, P. 1-11 (год публикации - 2023)
10.1016/j.asr.2023.09.020

4. Хабитуев Д.С., Черниговская М.А. Retrospective analysis of long-term regional features of the dynamic regime of the ionosphere over the south of Eastern Siberia Solar-Terrestrial Physics, Vol. 9, No 3, P. 77-85 (год публикации - 2023)
10.12737/stp-93202309

5. Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Жеребцов Г.А., Ясюкевич А.С. Correlation of Short-Period Wave Disturbances of the Peak Electron Density of the F2 Layer and the Total Electron Content in the Ionosphere Doklady Earth Sciences, P. 1-6 (год публикации - 2023)
10.1134/S1028334X2360192X

6. Сетов А.Г., Кушнарев Д.С. Correlation analysis of solar flux absolute measurements at 161 and 245 MHz Solar-Terrestrial Physics, Vol. 9., No 4 (год публикации - 2023)
10.12737/szf-94202306

7. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Comparative analysis of the effect of geomagnetic storms on characteristics of hydroxyl (6-2) emission and NmF2 peak electron density Proc. SPIE. Vol. 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V. 12780. Art.No 1278076. P. 1278076-1 - 1278076-6 (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690257

8. Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Ясюкевич А.С. Correlation relations of long-wave disturbances in the upper atmosphere Proc. SPIE. Vol. 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, V. 12780. Art.No 1278074, P. 1278074-1 - 1278074-4 (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690244

9. Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Ясюкевич А.С. The correlation of wave disturbances of ionospheric characteristics obtained from the ionosonde and GNSS receiver measurements Atmosphere, ionosphere, safety: Proceedings of VIII International Conference (AIS-2023). Kaliningrad: Algomat., P. 127-129 (год публикации - 2023)
10.59043/9785604204474_127

10. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Сравнительный анализ влияния геомагнитных бурь на характеристики излучения гидроксила OH(6-2) и максимум электронной концентрации NmF2 Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIX Международного симпозиума. Томск: Издательство ИОА СО РАН., С. E196-E200 (год публикации - 2023)

11. Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Ясюкевич А.С. Корреляционные отношения длинноволновых возмущений в верхней атмосфере Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIX Международного симпозиума. Томск: Издательство ИОА СО РАН., С. E53-E56 (год публикации - 2023)

12. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Множественный регрессионный анализ долговременных вариаций характеристик нейтральной атмосферы и ионосферы над Восточной Сибирью Материалы Двадцать первой международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". Москва: ИКИ РАН., С. 315 (год публикации - 2023)
10.21046/21DZZconf-2023a

13. Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Ясюкевич А.С. Оценка связи волновых возмущений максимальной электронной концентрации в слое F2 и полного электронного содержания в ионосфере Распространение радиоволн: сборник докладов XXVIII Всероссийской открытой научной конференции. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет., С. 172-175 (год публикации - 2023)

14. Ратовский К.Г. Долговременные вариации максимума электронной концентрации: зависимость от солнечной и геомагнитной активности, долговременные тренды Распространение радиоволн: сборник докладов XXVIII Всероссийской открытой научной конференции. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет., С. 176-179 (год публикации - 2023)

15. Ташлыков В.П., Медведев А.В. Анализ полного профиля для Иркутского радара некогерентного рассеяния Распространение радиоволн: сборник докладов XXVIII Всероссийской открытой научной конференции. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет., С. 190-193 (год публикации - 2023)

16. Сетов А.Г., Кушнарев Д.С. Калиброванные измерения медленно меняющейся компоненты излучения Солнца и солнечных радиовсплесков на частоте 161 МГц Распространение радиоволн: сборник докладов XXVIII Всероссийской открытой научной конференции. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет., С. 186-189 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
По данным спектрометрических и радиофизических измерений на комплексе инструментов ИСЗФ СО РАН в 2013-2018 гг. проведен анализ изменчивости температуры области мезопаузы σTm и максимума электронной концентрации σNmF2 с периодами ВГВ (менее 8 ч). Сравнительный анализ волновой активности в нейтральной атмосфере и волновых процессов в ионосфере показал слабую корреляцию без учета запаздывания и существенный рост корреляции при учете запаздывания. Возможной причиной может быть модуляция ВГВ активности планетарными волнами, распространяющимися снизу вверх, и запаздывание волны в ионосфере относительно мезосферы. Еще одной причиной может быть то, что источники ВГВ, наблюдаемых в ионосфере, находятся на удалении от станции наблюдения, и волны распространяются не вертикально вверх, а по наклонной траектории. Выполнен спектральный анализ межсуточных вариаций атмосферных и ионосферных характеристик за 2005-2018 гг. с использованием базы данных Иркутского ионозонда (максимум электронной концентрации NmF2) и спутниковых данных MLS Aura о температуре атмосферы Ta на высотном уровне 0.68 гПа (~51.2 км). Для каждого года были рассчитаны спектры межсуточных вариаций для дневных и ночных значений NmF2 и Ta. Обнаружено, что доминирующими спектральными составляющими во всех случаях являются сезонные гармоники (годовая, полугодовая, третьгодовая и четвертьгодовая). С ростом частоты (уменьшением периода) наблюдается уменьшение амплитуд сезонных гармоник. Выявлены следующие сходства и различия межсуточных вариаций атмосферных и ионосферных характеристик. Сходствами являются доминирования сезонных гармоник и близкие показатели степеней спада высокочастотных частей спектра, а также достаточно хорошая корреляция межгодовых вариации показателей степеней спада. Различие проявляется в том, что для ионосферных характеристик в высокочастотной части спектра доминирует ~27-дневная гармоника, тогда как для атмосферных характеристик доминируют 18-дневная и ~41-дневная гармоники. Различие объясняется тем, что ионосферные характеристики модулируются ~27-дневными вариациями солнечного потока, обусловленными вращением Солнца, тогда как для атмосферных характеристик такая модуляция отсутствует. Проведены работы по систематизации и обобщению архивных данных измерений горизонтальных дрейфов в ионосфере методом разнесенного приема с малой базой D1, которые проводились в Иркутском регионе на ст. Зуй и ст. Бадары в 1978-1990 гг. Созданы две базы данных (БД): БД Зуй содержит данные об ионосферных дрейфах за период 1958-1982 гг., БД Бадары - за период 1978-1990 гг. Созданные базы данных могут быть полезны для исследования долговременных вариаций характеристик E и F областей ионосферы и получения их климатических характеристик в регионе наблюдения. С использованием данных спутниковых наблюдений MLS Aura в 2010-2021 гг. проведено исследование вариаций концентраций CO и H2O в стратосфере над Восточной Сибирью. Создан архив спутниковых данных для стратосферных высот для высотных уровней в диапазоне 215.4-10 гПа (~11-32 км) для двух локаций – село Хоринск (52.17 N, 109.77 E) и поселок Жигалово (54.81 N, 105.15 E). Для каждой локации отдельно для дневных и ночных условий рассчитаны и проанализированы усредненные по всем годам сезонные вариации концентраций CO и H2O для каждого высотного уровня. Полученные усредненные сезонные вариации могут быть использованы для исследования поведения атмосферных примесей в отдельные временные интервалы, в том числе и как фоновые значения для контроля состояния средней атмосферы в периоды геофизических возмущений, выявления антропогенного воздействия и решения экологических задач. Проведен анализ интенсивности 27-дневных вариаций в потоке ультрафиолетового (УФ, в диапазоне 5.5-194.5 нм) и радиоизлучения (в диапазоне 245-17000 МГц) Солнца, а также в картах GIM полного электронного содержания (ПЭС) в ионосфере. Анализ карт ПЭС показал, что географическое распределение нормированной мощности 27-дневных вариаций схоже с картами распределения коэффициента зимней аномалии с максимумом на средних широтах Северной Америки, где фоновое значение NmF2 максимально в зимнее время. Выполнены систематизация и обобщение полученных в ходе выполнения Проекта результатов.

Публикации

1. Медведева И.В., Ратовский К.Г., Толстиков М.В. Correlation analysis of short-period wave activity in the mesopause region and F2 layer of the ionosphere Atmospheric and Oceanic Optics (год публикации - 2024)

2. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Межгодовые вариации температуры области мезопаузы и максимума электронной концентрации в 24-м солнечном цикле по данным измерений на комплексе инструментов ИСЗФ СО РАН Всероссийская конференция (с международным участием), посвященная 300-летию Российской академии наук и 75-летию Якутского научного центра СО РАН "Динамические процессы в средней и верхней атмосфере", Якутск. 28-31 августа 2024 г. Тезисы докладов. Якутск: ИКФИА СО РАН. , С. 19-20. (год публикации - 2024)

3. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Исследование межгодовых вариаций температуры области мезопаузы и максимума электронной концентрации над Восточной Сибирью Тезисы докладов V Всероссийской конференции с международным участием "Турбулентность, динамика атмосферы и климата" памяти А.М. Обухова, Москва, 19-21 ноября 2024 г. Москва: Физматкнига., С. 88. (год публикации - 2024)

4. Ратовский К.Г. Изменение ионосферного климата над Восточной Сибирью по данным длительных измерений электронной концентрации в ионосфере Геодинамические процессы и природные катастрофы: тезисы докладов V Всероссийской научной конференции с международным участием, г. Южно-Сахалинск, 27-31 мая 2024 г. 2024. Южно-Сахалинск: Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН. , С. 119. (год публикации - 2024)

5. Медведева И.В., Татарников А.В., Едемский И.К., Саункин А.В. Сезонные вариации атмосферных примесей в Байкальском регионе по данным спутниковых наблюдений Aura MLS Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Т. 21, № 2, С. 315-324. (год публикации - 2024)
10.21046/2070-7401-2024-21-2-315-324

6. Жеребцов Г.А., Ратовский К.Г., Медведева И.В. Long-term variations in peak electron density and temperature of mesopause region: dependence on solar, geomagnetic, and atmospheric activities, long-term trends Solar-Terrestrial Physics, V. 10. Iss. 4. (год публикации - 2024)
10.12737/stp-104202401

7. Ташлыков В.П., Алсаткин С.С., Медведев А.В., Ратовский К.Г. Effective subtraction technique: implementation for Irkutsk Incoherent Scatter Radar Solar-Terrestrial Physics, V. 10, Iss. 1, P. 63-67. (год публикации - 2024)
10.12737/stp-101202409

8. Сетов А.Г., Ратовский К.Г., Кашапова Л.К. Intensity of 27-day variations in solar emission and ionospheric electron content Advances in Space Research (год публикации - 2024)
10.1016/j.asr.2024.10.054

9. Жеребцов Г.А., Тащилин А.В., Перевалова Н.П., Ратовский К.Г., Медведева И.В. Modeling the Influence of Changes in the Parameters of a Neutral Atmosphere on the Ionospheric Electron Density Doklady Earth Sciences, V. 517, Part 2, P. 1371-1376. (год публикации - 2024)
10.1134/S1028334X2460227X

10. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Long-term variations in characteristics of upper neutral atmosphere and ionosphere from spectrometric and radio sounding measurements XV школа-конференция с международным участием "Проблемы Геокосмоса - 2024", Санкт-Петербург, 22-27 апреля 2024 г. Тезисы докладов. Санкт-Петербург: СПбГУ., Abstr. № GC2024-STP. (год публикации - 2024)

11. Медведева И.В., Ратовский К.Г., Толстиков М.В. Сравнительный анализ короткопериодной изменчивости температуры области мезопаузы и максимума электронной концентрации Материалы Двадцать второй международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". Москва, 11-15 ноября 2024 г. Москва: ИКИ РАН. , Abstr. № XXII.I.205, С. 478. (год публикации - 2024)

12. Медведева И.В., Ратовский К.Г. Long-term variations in temperature in mesopause region and F2-region peak electron density over Eastern Siberia The 15th Russian-Chinese Workshop on Space Weather. Irkutsk, Russia. September 9-13, 2024. Abstracts. Irkutsk: ISTP SB RAS., P. 34. (год публикации - 2024)

13. Медведева И.В., Ратовский К.Г., Толстиков М.В. Корреляционный анализ короткопериодной волновой активности в области мезопаузы и F2-слое ионосферы Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. г. Санкт-Петербург, 1–5 июля 2024 г. Томск: Издательство ИОА СО РАН., С. Е150-Е153 (год публикации - 2024)

14. Ратовский К.Г., Жеребцов Г.А., Медведева И.В. Два метода оценки тренда ионосферной электронной концентрации по данным Иркутских ионозондов вертикального зондирования ионосферы Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXX Международного симпозиума. г. Санкт-Петербург, 1–5 июля 2024 г. Томск: Издательство ИОА СО РАН., С. Е146-Е149. (год публикации - 2024)

15. Хабитуев Д.С., Черниговская М.А. Вариации скорости дрейфа ионизации над югом Восточной Сибири по архивным данным станций вертикального зондирования Материалы Двадцать второй международной конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". Москва, 11-15 ноября 2024 г. Москва: ИКИ РАН., Abstr. № XXII.I.205, С. 495. (год публикации - 2024)

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 процессов взаимодействия нейтральной и ионизованной компонент атмосферы Земли является актуальной задачей для совершенствования схемы оперативного прогноза ионосферной обстановки. При выполнении Проекта были созданы три программных продукта и две базы данных, на которые получены Свидетельства государственной регистрации.