GPS-monitoring of ionospheric disturbances caused by solar activity and lithospheric processes

1. GPS-мониторинг ионосферных возмущений, обусловленных воздействием солнечной активности и литосферных процессов Афраймович Э.Л.1, Шевцов Б.М.2, Воейков С.В.1, Астафьева Э.И.1, Перевалова Н.П.1, Ясюкевич Ю.В.1, Живетьев И.В.2 1 - Институт Солнечно-Земной ФизикиСО РАН 2 - Институт космофизических исследований ираспространения радиоволн ДВО РАН

2. GPS-monitoring of ionospheric disturbances caused by solar activity and lithospheric processes • E.L. Afraimovich, B.M. Shevtsov , S.V. Voeykov, • E.I. Astafyeva, N.P. Perevalova, Yu.V. Yasukevich, I. V. Zhivetiev • Institute Solar-Terrestrial Physics, SB RAS, Russian Federation, 664033, Irkutsk, P.O. box 291, (3952)564554, afra@iszf.irk.ru • Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation, FEB RAS, Russian Federation, Petropavlovsk-Kamchatskiy, b_shevtsov@mail.ru

3. The report is devoted to the achievements in the investigations of “Sun-ionosphere-lithosphere” system processes. These investigations are based on the application of satellite navigation system of the second generation, GPS. This technology opens a new era in remote diagnostics of ionosphere on the basis of widely extensive networks of GPS-GLONASS receiving points, which included 2500 sites by 2004 and the data of which are transmitted to Internet. Today every site may simultaneously receive signals from 8-12 satellites of GPS-GLONASS, and in the nearest future from up to 20 satellites of GPS-GLONASS-GALILEO. Thus the ionosphere is being sounded by tens of thousands of rays, that allows us to solve the problem of global detection of total electron content (TEC) disturbances with considerably high spatial-time resolution in comparison to the methods known earlier. GPS detector of ionospheric disturbances differs from the previously known means of ionosphere radio sounding by continuity of observations, high sensitivity and spatial-time resolution as well as by technological effectiveness of data processing.

4. The bases of the report are the results of investigations which were carried out by the Institute of Solar-Terrestrial Physics, SB RAS, together with the Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation, FEB RAS: dynamics of global and regional electron content during the 23rd cycle of solar activity; structure and dynamics of electron concentration disturbances caused by solar flares and eclipses, geomagnetic disturbances and earthquakes during the stage of preparation and during the main shock. Together with the modern means of control over the geodynamic processes our developed methods and results may be used for construction of global and regional monitoring systems for geospheres to provide security. Along with the global network of GPS receivers the data of Kamchatka regional network of Geophysical Service RAS sites were used for the first time to detect ionospheric disturbances.

5. Доклад посвящен развитию дистанционных методов в целях исследования взаимодействия геосфер в периоды солнечной и сейсмической активности. Основу доклада составили результаты работ, выполненных совместно в ИСЗФ СО РАН и ИКИР ДВО РАН. Наряду с глобальной сетью приемников GPS впервые для детектирования ионосферных возмущений использованы данные Камчатской региональной сети станций КОМСП ГФС РАН.

6. Введение В настоящее время большое внимание уделяется исследования структуры и динамики ионосферы Земли по данным измерений полного электронного содержания (ПЭС), которое регистрируется при зондировании ионосферы сигналами спутниковых навигационных систем – GPS и ГЛОНАСС. Знание характеристик возмущений ПЭС, обусловленных изменениями солнечной, геомагнитной и сейсмической активности, необходимо для решения широкого круга задач физики ионосферы и распространения радиоволн, а также для оперативной идентификации признаков подготовки землетрясений на основе мониторинга ионосферы.

7. Радиозондирование атмосферы Методтомографии Метод отражений

8. Большой интерес проявляется к подтверждению достоверности предполагаемых локальных эффектов - отклонению от регулярного суточного хода ПЭС вблизи эпицентра землетрясений за несколько часов и дней до главного толчка, а также изменению спектра возмущений ПЭС, обусловленному генерацией в районе эпицентра акустико-гравитационных волн, являющихся источником перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ). Однако, согласно современным гипотезам, на ускорение подготовки землетрясений могут влиять различные проявления динамики солнечной активности, обусловленные регулярными изменениями в течение солнечного цикла, а также вспышками и выбросами корональной массы, вызывающими магнитные бури. Другая гипотеза состоит в том, что глобальные изменения в атмосфере в свою очередь влияют на характер протекания литосферных процессов, при этом атмосферные катаклизмы могут служить «спусковым» механизмом высвобождения сейсмической энергии.

9. Введение Для надежного экспериментального подтверждения всех этих гипотез необходимо знание глобальных и локальныхфоновых характеристик возмущений ПЭС. Для исследования глобальных фоновых характеристик возмущений ПЭС в ИСЗФбыл предложен новый ионосферный параметр – глобальное электронное содержание – отличающийся от известных локальных параметров бо́льшим соответствием отображения глобальных характеристик ионосферы.

10. Глобальное электронное содержание • Метод вычисления ГЭСоснован на использовании глобальных ионосферных карт – GIM-карт. • Пространственный диапазон 0°-360° по долготе, ±90° по широте. • Размер элементарной ячейки GIM – 5° по долготе, 2.5° по широте.Шаг по времени – 2 часа. Значения ГЭС G вычисляются путем суммирования по всем ячейкам GIM значений ПЭС для каждой ячейки, умноженных на площадь соответствующей ячейки GIM: Для удобства анализа введена единица измерения ГЭС: 1 GECU = 1032электронов

11. ГЭС - 23-й цикл солнечной активности а.экспериментальные значения ГЭС. Временная зависимость ГЭС демонстрирует существенную изменчивость – от 0.5 до 3.2 GECU. б.индекс солнечной активности F10.7 иГЭС;сглаживание 365 дней. Изменение ГЭС соответствует динамике индекса солнечной активности F10.7.

12. Регрессионная зависимость ГЭС от F10.7 ипотока УФ излучения Солнца (0.1-50 нм) а. Зависимость ГЭС от F10.7 имеет монотонный характер с большим разбросом (СКОдо 50%). б. Регрессионная зависимостьГЭСотУФ линейна с достаточной степенью точности (СКОне более 20 %).

13. 27-дневные вариации Одним из важных факторов влияния солнечного излучения на ионосферу является 27-дневная цикличность, обусловленная вращением Солнца. Пример 27-дневных вариаций ГЭС, индекса F10.7 и потока УФ излучения для периода сильных возмущений на Солнце(октябрь-декабрь 2003 г.) Исходные ряды отфильтрованы в диапазоне периодов20-40 дней.

14. Корреляция 27-дневных вариаций ГЭС, УФ и F10.7 • Взаимно-корреляционные функции рядов (а); • гистограммы относительного запаздывания 27-дневных вариаций (б, в, г). Коэффициент корреляции между рядами ГЭС и УФ достигает 0.9, между ГЭС и F10.7, а также F10.7 и УФ несколько ниже ~ 0.8. 27-дневные вариации ГЭС подобны колебаниям F10.7 и УФ, но запаздывают в среднем на 2 дня, с минимальным разбросом относительно вариаций УФ.

15. Огибающая 27-дневных вариаций Относительная амплитуда 27-дневных вариаций ГЭС G27=dG27/Gменяется от 8% на подъеме и спаде солнечной активности до 2% в периоды максимума и минимума. Временная зависимость относительной амплитуды 27-дневных вариаций ГЭС, сглаженная с годовым временным окном; относительное число солнечных пятен Rsn.

16. Сопоставление солнечной и сейсмической активности

17. Для того, чтобы обнаружить изменение спектра ионосферных возмущений, вызванное сейсмической активностью, необходимо изучить поведение фоновых ионосферных возмущений для разных регионов земного шара, при разном уровне геомагнитной возмущенности. С этой целью было рассмотрено поведение относительной амплитуды волновых возмущений ПЭС в двух диапазонах периодов, соответствующих крупно- и средне-масштабным ионосферным возмущениям.

18. Относительная амплитуда КМ и СМ возмущений • В возмущенных условиях (слева) геомагнитный контроль амплитуды вариаций ПЭС на высоких и средних широтах оказывается более существенным, чем регулярные суточные изменения. На экваторе амплитуда возмущений слабо зависит от уровня геомагнитной активности. • При низком уровне геомагнитной возмущенности (справа) относительная амплитуда возмущений в ночные и утренние часы существенно превышает дневные значения: на экваторе и высоких широтах в 3-5 раз, на средних широтах – в 2 раза.

19. Регрессионные зависимости амплитуды вариаций ПЭС от значения индекса Kp В среднем относительная амплитуда вариаций ПЭС пропорциональна значению Kp. Коэффициент пропорциональности на высоких широтах k=0.37,на средних k=0.2,на экваторе k<0.1.

20. Крупномасштабное возмущение с кольцевой формой волнового фронта Особое место среди ионосферных возмущений занимают мощные КМ возмущения аврорального происхождения. По мере распространения в экваториальном направлении они способны «замаскировать» практически любые локальные ионосферные вариации в широком диапазоне периодов и по большому региону. Мы обнаружили, что КМ возмущения могут иметь практически кольцевую форму волнового фронта.

21. Общие сведения Для определения фазовой скорости и формы волнового фронта крупномасштабных возмущений использовались пять наборов станций GPS в различных долготных секторах северного полушария. Геометрия эксперимента

22. Магнитная буря 29.10.2003 г. Временные зависимости отфильтрованных рядов ПЭС для следующих регионов: а.– Европа; б.– Азия;в. – Камчатка; г.– Западная Америка;д. – Восточная Америка. Масштаб вариаций в единицах TECU дан вертикальным отрезком. Вертикальной пунктирной линией отмечен момент SSC.Вариации ПЭС подобны по форме, но сдвинуты друг относительно друга по времени; возмущение ПЭС представляет собой уединенную волну с характерным периодом около 40 мин.

23. Форма фронта крупномасштабного возмущения29 октября 2003 г. (07:00 UT) • Пространственное распределение минимумов и максимумов вариаций ПЭС. • Волновые векторы для различных регионов (стрелки) ориентированы в экваториальном направлении. • В утреннем, дневном и вечернем секторах северного полушария модуль скорости достигает 1500 м/с;в ночном секторе - 700-1000 м/с.

24. Кроноцкое землетрясение Основное внимание в изучении локальных характеристик было уделено Камчатскому региону. Сейсмическая деятельность у тихоокеанского побережья Камчатки, Курильских островов и северо-восточной Японии достигает наивысшего на Земле уровня. Для оценки потенциальной возможности регистрации эффектов сейсмо-ионосферного взаимодействия для случая подводной сейсмической активности проведено исследование ионосферного отклика на Кроноцкое землетрясение (5 декабря 1997 г.)

25. Кроноцкое землетрясение Анализ данных камчатской региональной сети GPS показал, что амплитуда ионосферного отклика на главный толчок ЗТ в виде вариаций ПЭС с характерным периодом около 500 с. не превышала 0.02 TECU, что близко к уровню шумов измерений ПЭС. Параметры ионосферного отклика хорошо согласуются с данными других исследований, что говорит об устойчивости сигнальных признаков ионосферного возмущения, вызванного землетрясением.

26. Магадан, 20002г. Камчатка, 2002г. Результаты вейвлет-разложения вариаций критической частоты F-слоя ионосферы

27. Заключение Полученные результаты могут быть полезны при изучении процессов ионизации атмосферы ультрафиолетовым излучением Солнца, механизмов генерации волновых возмущений геомагнитного и сейсмического происхождения, а также для корректировки ионосферных моделей.