Ионосферная буря

Ионосферные бури – это бури различной плотности. [1] заряженных электронов в ионосфере, произведенных Солнцем. Ионосферные бури вызываются геомагнитными бурями . [2] Они подразделяются на положительные и отрицательные бури, при этом положительные бури имеют высокую плотность электронов , а отрицательные бури - более низкую плотность. [3] Общее содержание электронов (TEC) используется для измерения этих плотностей и является ключевой переменной, используемой в данных для регистрации и сравнения интенсивности ионосферных бурь.
Возникновение ионосферных бурь тесно связано с внезапным увеличением скорости солнечного ветра , когда солнечный ветер переносит заряженные электроны в атмосферы Земли верхние слои и способствует увеличению ПЭС. [4] Более сильные штормы формируют глобальную видимость полярных сияний . Полярные сияния чаще всего наблюдаются за Полярным кругом ; однако сильные ионосферные бури позволяют им быть видимыми на несколько более низких широтах . Самая интенсивная ионосферная буря произошла в 1859 году и обычно называется « солнечной бурей 1859 года » или « событием Кэррингтона ». Событие Кэррингтона было названо в честь Ричарда Кэррингтона , английского астронома, который наблюдал нерегулярную солнечную активность. [5] это произошло во время события Кэррингтона. Интенсивность шторма привела к тому, что полярное сияние стало видимым в более низких широтах, и, как сообщается, его можно было увидеть в таких местах, как Флорида и Карибский бассейн . Ионосферные бури могут произойти в любое время и в любом месте. [6]
Ионосферные бури F- и D-области также считаются основными категориями ионосферных бурь. Штормы F-области возникают из-за внезапного увеличения количества заряженных электронов, попадающих в ионосферу Земли. F-область — самая высокая область ионосферы. Состоит из слоев F1 и F2, ее расстояние над поверхностью Земли составляет примерно 200–500 км. [7] Продолжительность этих штормов составляет около суток и повторяются примерно каждые 27,3 дня. [6] Большинство ионосферных аномалий происходит в слоях F2 и E ионосферы. Штормы в D-области возникают сразу после штормов в F-области и называются «эффектом после урагана», продолжительность которого составляет неделю после возникновения шторма в F-области. [8]
Исторические события
[ редактировать ]Самый крупный ионосферный шторм произошел во время события Кэррингтона 28 августа 1859 года и нанес значительный ущерб различным частям, включая возникновение пожаров на железнодорожных сигналах и телеграфных проводах. [9] Существенная плотность заряженных электронов, созданных ураганом, вызвала эти электрические перегрузки и дефициты.
Случаи штормов за последние 35 лет были объединены и измерены в максимальных Ap [2] который фиксирует среднесуточную геомагнитную активность во время ионосферных бурь. Отмечаются более высокие уровни геомагнитной активности с высокими максимальными значениями Ар. Число Ap с точки зрения геомагнитной активности от 0 до 7 считается «тихим», 8–15 «нестабильным», 16–29 «активным», 30–49 «небольшим штормом», 50–99 «сильным штормом» и выше 100. классифицируется как «сильный шторм». [10] Незначительные штормы за последние 35 лет в диапазоне от 30 до 49 Ap произошли 13 сентября 1999 г. (46), 11 октября 2008 г. (34), 11 марта 2011 г. (37), 9 октября 2012 г. (46) и 19 февраля 2014 г. (43). . Сильные штормы силой 50–99 баллов произошли 6 апреля 2000 г. (82), 7 апреля 2000 г. (74), 11 апреля 2001 г. (85), 18 апреля 2002 г. (63), 20 апреля 2002 г. (70), 22 января 2004 г. (64). ), 18 января 2005 г. (84), 5 апреля 2010 г. (55), 9 марта 2012 г. (87), 15 июля 2012 г. (78) и 1 июня 2013 г. (58). Сильные штормы, равные или превышающие 100 Ар, произошли 8 февраля 1986 г. (202), 9 февраля 1986 г. (100), 13 марта 1989 г. (246), 14 марта 1989 г. (158), 17 ноября 1989 г. (109), 10 апреля 1990 г. (124). , 7 апреля 1995 г. (100), 31 марта 2001 г. (192), 6 ноября 2001 г. (142), 18 августа 2003 г. (108), 29 октября 2003 г. (204), 30 октября 2003 г. (191), 20 ноября 2003 г. (150), 27 июля 2004 г. (186), 8 ноября 2004 г. (140) и 10 ноября 2004 г. (161). [2]
Согласно недавним отчетам, штормы в честь Дня Святого Патрика в марте 2013 и 2015 годов вызвали сильную отрицательную фазу в ионосферной области F2. Штормы в марте 2013 и 2015 годов также были продолжительными и продолжались более 6 часов. [11] в июне 2015 года Зимний шторм в Южном полушарии имел более короткую продолжительность, от 4 до 6 часов, и оказал положительное влияние на ионосферу. Трудно определить точное место и время возникновения ионосферных бурь, их последствия зависят от сезона, их различных начальных точек, изменений состава ионосферы и бегущих ионосферных возмущений (ПИВ) по отношению к гравитационным волнам , имеющим различное воздействие. в разных локациях. [11]
Фазы ионосферных бурь
[ редактировать ]В начале ионосферной бури из-за геомагнитных возмущений в ионосфере буря на короткое время станет положительной. Затем он превратится в бурю отрицательной фазы и вернется к фазе восстановления, когда электронная плотность нейтрализуется. [12]
Позитивная фаза
[ редактировать ]Положительная фаза ионосферной бури продлится около первых 24 часов. На этом этапе плотность электронов в ионосфере, особенно в более высотных слоях, таких как F1 и F2, увеличится. Ионизация в положительной фазе будет менее выражена из-за увеличения электронной плотности. [13] Ионосферные бури положительной фазы имеют большую продолжительность и более распространены зимой. [13] Во время положительной фазы сильных ионосферных бурь высота F-области ионосферы увеличивается, что приводит к массивной плазменной аномалии в форме языка, распространяющейся против Солнца по геомагнитному полюсу , которую можно наблюдать наземными радарами. [14] а также с помощью спутников и системы GPS . [15] Даже для крупнейших геомагнитных бурь , таких как супербуря 20 ноября 2003 года, современные модели общей циркуляции способны моделировать положительные ионосферные аномалии. [16]
Отрицательная фаза
[ редактировать ]Отрицательная фаза ионосферной бури произойдет сразу после положительной фазы бури и продлится один-два дня после того, как положительная фаза уменьшит концентрацию электронов до «ниже эталонного уровня спокойного времени». [13] Отрицательные фазы уменьшают электронную плотность бури. Они также имеют более длительную продолжительность и чаще появляются летом. [13]
Фаза восстановления
[ редактировать ]Фаза восстановления ионосферной бури наступает после окончания отрицательной фазы и нейтрализации электронной плотности. Временной масштаб от 12 часов до 1 дня можно использовать в соответствии с Моделью общей циркуляции термосферы и ионосферы (TIGCM) как средство расчета точного времени стабилизации электронной плотности после бури. [17]
Воздействие на слои ионосферы
[ редактировать ]Воздействие ионосферных бурь на различные слои ионосферы, в том числе в F-область, E-область и D-область, варьируется в зависимости от силы шторма. F-область является наиболее затронутым слоем, поскольку она находится на самой большой высоте по сравнению с E-областью и D-областью. D-регион — это регион с наименьшей высотой, который будет подвергаться наименьшим геомагнитным возмущениям.
F-регион
[ редактировать ]F-область — это самый высокий слой ионосферы и внутренней атмосферы, расположенный на высоте около 200 км над поверхностью Земли и охватывающий около 300 км общей высоты слоя. На F2-область F-области (наивысшая высота внутреннего слоя атмосферы) повлияет уменьшение критической частоты и максимальной полезной частоты , которая необходима для высокочастотной радиосвязи. [12] На F-область влияет трение солнечного ветра о границы ионосферы, которое вызывает движение магнитосферы, которое может проникать в ионосферу или выходить из нее, создавая возмущения, которые увеличивают и уменьшают ПЭС и плотность электронов. [18] чаще происходят «аномальные» увеличения и уменьшения ПЭС и электронной концентрации . Во время ионосферных бурь в F2-слое [19] Плотность ионизации также изменяется в F-области, уменьшаясь с увеличением высоты. [20] и по мере увеличения плотности ионизации атомы теряют электроны, и, следовательно, на более низких высотах теряется электронная плотность. [21] Нижние слои F-области, такие как слой F1, имеют более высокую степень ионизации и меньшую электронную плотность.
Е-регион
[ редактировать ]E-область — это средний слой ионосферы, расположенный на высоте примерно 100 км над поверхностью Земли и простирающийся на высоту около 100 км. Воздействия на Е-область в основном связаны с высокими широтами слоя, где происходят более сильные геомагнитные возмущения. Ионизация в этом слое происходит преимущественно за счет выпадения частиц в полярных сияниях. [22] Из-за более низкой широты плотность ионизации выше, чем в F-области, и меньшая плотность электронов. Повышенная проводимость токов стекающими вызвана конвекционными электрическими полями магнитосферы , по линиям магнитного поля в Е-области. [22] Повышенная проводимость также является следствием ионосферной бури. В E-области также происходит максимизация передачи энергии от плазмы к нейтральным частицам , что способствует «фрикционному нагреву» и используется в качестве источника тепла для термосферы. [22]
D-регион
[ редактировать ]D-область — это самый нижний слой ионосферы, расположенный на высоте примерно 60 км над поверхностью Земли, а высота его слоя составляет около 30–40 км. Верхняя часть D-области находится на высоте около 90–100 км над поверхностью Земли. Когда возникают ионосферные бури, в D-области происходит усиленная ионизация электронов, что приводит к уменьшению асимметрии дня и ночи (глубины DLPT). [23] Глубина DLPT рассчитывается путем вычитания средней дневной скорости на среднюю ночную скорость и деления ее на среднее значение ставок. [24] Глубина DLPT уменьшается с увеличением Ар в D-слое.
Воздействие
[ редактировать ]Радиосвязь
[ редактировать ]В случае ионосферной бури на средних и больших высотах могут возникнуть сильные помехи в работе телекоммуникаций. [25] радиосвязь считается «неэффективной». [25] Это связано с тем, что радиоволны обнаруживаются в ионосфере, где внезапное усиление солнечного ветра и заряженных электронов будет мешать. Последствия помех, связанных с радиосвязью, могут включать временное отключение сигнала для радиоволновых устройств, таких как телевизоры, радиоприемники и беспроводные телефоны. [26] Глобальные последствия различаются, включая ущерб цифровому радиовещанию и отображению информации с помощью технологий радиосвязи, что может временно исключить использование определенных технологий.
Самолеты и электрические системы
[ редактировать ]Пассажиры и экипаж самолета получают более высокую дозу радиации во время ионосферной бури по сравнению с людьми, находящимися на уровне моря. Высота полета обычно составляет 10 км и более, поэтому, когда во время полета возникает ионосферная буря, люди в самолете потенциально получают примерно 0,1% шанс заболеть смертельным раком в течение своей жизни. Самолет при полете на высоте 10 км и выше будет подвергаться примерно в 300 раз большему воздействию ионизированной радиации, чем на уровне моря. [27] Заряженные частицы, образующиеся в результате ионосферной бури, также потенциально могут вызвать повреждение и нарушение работы микроэлектронных схем из-за единичной ошибки (SEE), когда заряженные частицы соединяются с полупроводниковым устройством и вызывают сбой системы. [27] Короткое замыкание электрооборудования самолета может отвлекать экипаж и представлять угрозу безопасности.
Спутники
[ редактировать ]Солнечные элементы на спутниках могут быть повреждены или разрушены во время ионосферных штормов, что может затруднить передачу сигналов.
Климат
[ редактировать ]Направленные на Землю солнечные ветры [28] и чрезмерная радиация, производимая им, оказывает ограниченное влияние на климат. Излучение солнечного ветра достигает только самых высоких слоев атмосферы Земли, включая ионосферу. Однако есть сообщения о возможном воздействии на нижние слои атмосферы. Зафиксировано, что усиление солнечного ветра в марте 2012 года в США совпало с волнами жары, произошедшими в то время. [29] статистической связи между возникновением сильных наводнений и ионосферных штормов, вызванных высокоскоростными потоками солнечного ветра Сообщалось также о (HSS). Предполагается , что усиленное энерговыделение в авроральную ионосферу во время HSS генерирует распространяющиеся вниз атмосферные гравитационные волны . Возбужденные гравитационные волны достигают нижних слоев атмосферы, вызывая нестабильность в тропосфере и приводя к чрезмерным дождям. [30]
Системы GPS и ГНСС
[ редактировать ]Из-за искажений сигналов в ионосфере, вызванных ионосферными бурями, системы GPS серьезно страдают. В конце 20-го и 21-го веков сигналы GPS были встроены в различные телефоны, поэтому с момента их выпуска значительно возросло количество случаев их использования. Это важная часть технологии, которая почти полностью затронута, поскольку она служит для отображения направлений, что может помешать людям указывать направления. Направленное оборудование, такое как глобальные навигационные спутниковые службы (GNSS), также используется в самолетах. Эта система может быть скомпрометирована из-за радиационного повреждения спутников и солнечных батарей, которые необходимы для работы этой навигационной системы. Когда самолет теряет доступ к GNSS в случае ионосферной бури, доступны резервные процедуры для самолета. [27]
Технология обнаружения шторма
[ редактировать ]Во время события Кэррингтона в 1859 году, когда существовало лишь ограниченное количество доступных измерительных технологий, полную степень воздействия невозможно было точно зарегистрировать, если не считать пересчетов в газетных статьях, написанных в 1859 году. В конце 20-го и начале 21-го века технология прогнозирования был улучшен. Эта технология позволяет метеорологам обнаруживать самую высокую частоту, которую можно вернуть вертикально. [31] За 24 часа вперед с точностью 8-13% периодов с ограниченным возмущением. PropMan, созданный К. Дэвисом в начале 1970-х годов, представляет собой программу, которая содержит код ионосферного прогнозирования (IONSTORM) для прогнозирования максимальных используемых частот (MUF) во время ионосферных штормов, когда частоты связи F-области отрицаются. [32]
См. также
[ редактировать ]- Внезапное ионосферное возмущение (SID)
- Солнечная вспышка
- Событие солнечных частиц (SPE)
- Геомагнитная буря
- Космическая погода и гелиофизика
- Список солнечных бурь
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кандер, Лиляна Р. (2018). Ионосферная космическая погода . Спрингер. ISBN 978-3-319-99331-7 .
- ^ Перейти обратно: а б с Лиляна Р. Кандер (2019). Ионосферная космическая погода . Спрингерская геофизика. дои : 10.1007/978-3-319-99331-7 . ISBN 978-3-319-99330-0 . S2CID 134212887 .
- ^ Фагундес, PR; Кардосо, ФА; Фейер, Б.Г.; Венкатеш, К.; Рибейро, Б.а. Г.; Пиллат, В.Г. (2016). «Положительные и отрицательные эффекты ионосферного шторма GPS-TEC во время экстремальной космической погоды в марте 2015 года над бразильским сектором» . Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 121 (6): 5613–5625. Бибкод : 2016JGRA..121.5613F . дои : 10.1002/2015JA022214 . S2CID 51916199 .
- ^ Верхоглядова, ОП; Цурутани, БТ; Мануччи, AJ; Млынчак, М.Г.; Хант, Луизиана; Пакстон, LJ; Комджати, А. (2016). «Солнечный ветер, вызывающий реакцию ионосферы и термосферы в трех штормах возле Дня Святого Патрика в 2012, 2013 и 2015 годах». Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 121 (9): 8900–8923. Бибкод : 2016JGRA..121.8900V . дои : 10.1002/2016JA022883 . S2CID 133299363 .
- ^ Кларк, Стюарт (2007). «Астрономический огонь: Ричард Кэррингтон и солнечная вспышка 1859 года» . Стараться . 31 (3): 104–109. doi : 10.1016/j.endeavour.2007.07.004 . ПМИД 17764743 .
- ^ Перейти обратно: а б Ионосферные бури (ионосферные аномалии) (हिन्दी) , заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 28 мая 2020 г.
- ^ с=AU; co=Австралийское Содружество; ou=Департамент устойчивого развития, окружающей среды. «Веб-сайт Службы космической погоды» . www.sws.bom.gov.au. Проверено 28 мая 2020 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Ионосферные бури и космическая погода» . www.albany.edu . Проверено 28 мая 2020 г.
- ^ Кроули, Джефф; Азим, Ирфан (2018). «Чрезвычайные ионосферные бури и их влияние на системы GPS» . В Бузулукова Наталья (ред.). Экстремальные события в геопространстве . Эльзевир. стр. 555–586. ISBN 978-0-12-812700-1 .
- ^ с=AU; co=Австралийское Содружество; ou=Департамент устойчивого развития, окружающей среды. «Веб-сайт Службы космической погоды» . www.sws.bom.gov.au. Проверено 28 мая 2020 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Кумар, Сушил; Кумар, Викал В. (2018). «Реакция ионосферы на явления космической погоды в День Святого Патрика в марте 2012, 2013 и 2015 годов в южных низких и средних широтах» . Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 124 : 584–602. дои : 10.1029/2018JA025674 . S2CID 135105601 .
- ^ Перейти обратно: а б Ху, С.; Бхаттачарджи, А.; Хоу, Дж.; Сан, Б.; Рослер, Д.; Фрирдих, С.; Гиббс, Н.; Уайтед, Дж. (1998). «Прогноз ионосферных бурь для высокочастотной связи». Радионаука . 33 (5): 1413–1428. Бибкод : 1998RaSc...33.1413H . дои : 10.1029/98RS02219 . S2CID 121130989 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Данилов А.Д.; Белик, Л.Д. (1992). «Состав термосферы и положительная фаза ионосферной бури». Достижения в космических исследованиях . 12 (10): 257–260. Бибкод : 1992AdSpR..12j.257D . дои : 10.1016/0273-1177(92)90475-D .
- ^ Фостер, Дж. К.; Костер, Эй Джей; Эриксон, П.Дж.; Холт, Дж. М.; Линд, Флорида; Райдаут, В.; Маккриди, М.; ван Эйкен, А.; Барнс, Р.Дж.; Гринвальд, РА; Рич, Ф.Дж. (2005). «Мультирадарные наблюдения полярного языка ионизации». Дж. Геофиз. Рез . 110 (А9). Бибкод : 2005JGRA..110.9S31F . дои : 10.1029/2004JA010928 . hdl : 1721.1/114686 .
- ^ Похотелов Д.; Митчелл, Китай; Спенсер, PSJ; Хейрстон, MR; Хилис, РА (2008). «Динамика времени ионосферных бурь по данным GPS-томографии и наблюдений космических аппаратов на месте» . Дж. Геофиз. Рез . 113 (А3). Бибкод : 2008JGRA..113.0A16P . дои : 10.1029/2008JA013109 .
- ^ Похотелов Д.; и др. (2021). «Полярный язык ионизации во время геомагнитной супербури» . Энн. Геофиз . 39 (5): 833–847. Бибкод : 2021АнГео..39..833P . дои : 10.5194/angeo-39-833-2021 .
- ^ Бернс, АГ; Киллин, ТЛ; Кроули, Г.; Эмери, бакалавр; Робль, Р.Г. (1989). «О механизмах, ответственных за высокоширотные изменения состава термосферы на этапе восстановления геомагнитной бури» . Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 94 (А12): 16961–16968. Бибкод : 1989JGR....9416961B . дои : 10.1029/ja094ia12p16961 .
- ^ Пиддингтон, Дж. Х. (1964). «Некоторые ионосферные эффекты солнечного ветра». Исследовательский журнал IETE . 10 (8): 285–291. дои : 10.1080/03772063.1964.11485057 .
- ^ Береньи, Калифорния; Барта, В.; Кис, А. (2018). «Реакция слоя F2 ионосферы в средних широтах на геомагнитные возмущения, вызванные эруптивными солнечными событиями, над Венгрией во время максимума 24-го солнечного цикла: тематическое исследование». Достижения в космических исследованиях . 61 (5): 1230–1243. arXiv : 1803.01847 . Бибкод : 2018AdSpR..61.1230B . дои : 10.1016/j.asr.2017.12.021 . S2CID 119330894 .
- ^ «Вход в ресурсы Библиотеки Сиднейского университета» (PDF) . login.ezproxy2.library.usyd.edu.au . дои : 10.1007/978-3-642-97123-5_4 .
- ^ «Энергия ионизации и электроотрицательность» . бутан.chem.uiuc.edu . Проверено 28 мая 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Буонсанто, MJ (1999). «Вход в ресурсы Библиотеки Сиднейского университета» (PDF) . Обзоры космической науки . 88 (3/4): 563–601. дои : 10.1023/а:1005107532631 . S2CID 117314275 .
- ^ Чоудхури, Абхиджит; Де, Барин Кумар; Гуха, Анирбан; Рой, Ракеш (2015). «Влияние долговременной геомагнитной бури на область D ионосферы: некоторые тематические исследования с использованием ОНЧ-сигнала» . Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 120 (1): 778–787. Бибкод : 2015JGRA..120..778C . дои : 10.1002/2014JA020738 .
- ^ Реншоу, А.; Абэ, Кацусиге; Хаято, Ю; Йоги, К; Камеда, Дж.; Кисимото, Ю; Миура, М; Морияма, Сигетака; Накахата, М; Накано, Ю; Накаяма, С. (2014). «Первое указание на влияние земной материи на колебания солнечных нейтрино» . Письма о физических отзывах . 112 (9): 091805.arXiv : 1312.5176 . Бибкод : 2014PhRvL.112i1805R doi : 10.1103/PhysRevLett.112.091805 . ПМИД 24655245 . S2CID 699574 .
- ^ Перейти обратно: а б Хилл, Джеффри Э. (1963). «ВЧ-связь во время ионосферных бурь» . Журнал исследований Национального бюро стандартов . Раздел D. 67D (1): 23. doi : 10.6028/jres.067d.005 .
- ^ «Помехи в сигналы радио, телевидения и беспроводной телефонной связи» . Федеральная комиссия по связи . 2011 . Проверено 28 мая 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Влияние космической погоды на авиацию . Западный Суссекс: Управление гражданской авиации. 2016. С. 17–24.
- ^ «Как солнечный ветер может повлиять на погоду и климат» . Эос . 15 января 2015 года . Проверено 28 мая 2020 г.
- ^ «Вызывают ли солнечные бури волны тепла на Земле? | NOAA Climate.gov» . www.climate.gov . Проверено 28 мая 2020 г.
- ^ Прикрыль, П.; Рушин, В. (23 июля 2023 г.). «Выпадение обильных осадков под влиянием высокоскоростных потоков солнечного ветра через вертикальную связь с атмосферой» . Границы астрономии и космических наук . 10 . дои : 10.3389/fspas.2023.1196231 .
- ^ с=AU; co=Австралийское Содружество; ou=Департамент устойчивого развития, окружающей среды. «Веб-сайт Службы космической погоды» . www.sws.bom.gov.au. Проверено 29 мая 2020 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Марин, Д; Миро, Г; Михайлов, А (2000). «Метод краткосрочного прогнозирования foF2» . Физика и химия Земли, Часть C: Солнечная, земная и планетарная наука . 25 (4): 327–332. Бибкод : 2000PCEC...25..327M . дои : 10.1016/S1464-1917(00)00026-X .