Ионосферный шторм - Ionospheric storm

Ионосферные бури находятся штормы которые содержат разную плотность^[1] заряженных электроны произведен из солнце. Они делятся на положительные и отрицательные бури, где положительные бури имеют высокий плотность электронов и отрицательных бурь содержат меньшую плотность.^[2] Это измеряется в полное электронное содержание (TEC) и является ключевой переменной, используемой в данных для регистрации и сравнения интенсивности ионосферных бурь. Ионосферные бури вызываются геомагнитные бури.^[3]

Его появление тесно связано с внезапным увеличением Солнечный ветер скорость, при которой солнечный ветер переносит заряженные электроны в верхние атмосфера из Земля и способствует увеличению TEC.^[4] Более крупные штормы формируют глобальную видимость полярные сияния. Полярные сияния чаще всего наблюдаются в Полярный круг, однако большие ионосферные бури позволяют их видеть в таких местах, как Соединенные Штаты, объединенное Королевство и Европа. Самая интенсивная ионосферная буря произошла в 1859 году, обычно называемая «солнечная буря 1859 г. " или "Carrington Event. » Событие Carrington Event было названо в честь Ричард Кэррингтон, английский астроном, наблюдавший нерегулярную солнечную активность^[5] это произошло во время Кэррингтонского события. Интенсивность шторма приблизила видимость северного сияния к экватор, как сообщается, его видели в таких местах, как Флорида и Карибский бассейн. Ионосферные бури могут происходить в любое время и в любом месте.^[6]

Рентгеновский снимок северного сияния, сделанный NASA во время ионосферной бури.

Ионосферные бури в F-области и D-области также считаются основными категориями ионосферных бурь. Бури в F-области возникают из-за внезапного увеличения количества заряженных электронов, проникающих в Землю. ионосфера. Это самая высокая область ионосферы, наряду со слоем F1 и слоем F2, его расстояние над земной поверхностью составляет примерно 200–500 км над поверхностью Земли.^[7] Продолжительность этих штормов составляет около суток и повторяется примерно каждые 27,3 дня.^[6] Большинство ионосферных аномалий происходит в слоях F2 и E ионосферы. Штормы в области D возникают сразу после штормов в области F и называются «пост-штормовым эффектом», продолжительность которого составляет неделю после возникновения шторма в области F.^[8]

Исторические события

Самый большой ионосферный шторм произошел во время события Кэррингтон 28 августа 1859 года и вызвал обширные повреждения различных частей, включая искры пожаров в железнодорожных сигналах и телеграфных проводах.^[9] Значительная плотность заряженных электронов, произведенных бурей, вызвала эти электрические перегрузки и дефицит.

Случаи штормов за последние 35 лет были консолидированы и измерены в максимальных Ap^[3] который регистрирует среднесуточную геомагнитную активность во время ионосферных бурь. Есть более высокие уровни геомагнитной активности с высокими максимальными значениями артериального давления. Подсчет Ap с точки зрения геомагнитной активности от 0 до 7 считается "тихим", 8-15 "неурегулированным", "16-29" активным, "30-49" незначительным штормом, "50-99" сильным штормом и выше 100. классифицируется как «сильный шторм».^[10] Незначительные штормы за последние 35 лет в диапазоне 30-49 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). . Крупные ураганы в диапазоне от 50 до 99 Ap 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 Ap, произошли 8 февраля 1986 года (202), 9 февраля 1986 года (100), 13 марта 1989 года (246), 14 марта 1989 года (158), 17 ноября 1989 года (109), 10 апреля 1990 года (124). , 7 апреля 1995 (100), 31 марта 2001 (192), 6 ноября 2001 (142), 18 августа 2003 (108), 29 октября 2003 (204), 30 октября 2003 (191), 20 ноября 2003 (150), 27 июля 2004 г. (186), 8 ноября 2004 г. (140) и 10 ноября 2004 г. (161).^[3]

Согласно недавним отчетам, буря в день Святого Патрика в марте 2013 и 2015 годов вызвала сильную отрицательную фазу в ионосферной области F2. Ураганы в марте 2013 и 2015 годов также были продолжительными, продолжительностью более 6 часов.^[11] Июнь 2015 г. Южное полушарие Зимняя буря имела меньшую продолжительность, продолжалась от 4 до 6 часов и оказывала положительное влияние на ионосферу. Трудно определить точное место и время возникновения ионосферных бурь, поскольку их последствия зависят от время года, их различные отправные точки, изменения состава в ионосфере и бегущие ионосферные возмущения (ПИВ) по отношению к гравитационные волны оказывают различное воздействие на разные места.^[11]

Фазы ионосферных бурь

В начале ионосферной бури из-за геомагнитных возмущений в ионосфере буря станет положительной на короткое время. Затем он станет отрицательной фазовой бурей и вернется к фазе восстановления, когда электронная плотность нейтрализуется.^[12]

Положительная фаза

Положительная фаза ионосферной бури продлится около первых 24 часов. В этой фазе концентрация электронов в ионосфере, особенно в более высоких слоях, таких как F1 и F2, будет увеличиваться. Ионизация в положительной фазе будет менее заметной из-за увеличения электронной плотности.^[13] Ионосферные бури с положительной фазой имеют большую продолжительность и чаще встречаются зимой.^[13]

Отрицательная фаза

Отрицательная фаза ионосферной бури произойдет сразу после положительной фазы бури и продлится один-два дня после того, как положительная фаза уменьшится в электронной плотности до «ниже эталонного уровня спокойного времени».^[13] Отрицательные фазы уменьшают электронную плотность бури. Они также продолжаются дольше и чаще появляются летом.^[13]

Фаза восстановления

Фаза восстановления ионосферной бури наступает после окончания отрицательной фазы и нейтрализует электронную плотность. Можно использовать шкалу времени от 12 часов до 1 дня в соответствии с Термосфера Модель общей циркуляции ионосферы (TIGCM) как средство расчета точного времени восстановления стабилизации электронной плотности после бури.^[14]

Воздействие на ионосферные слои

Воздействие ионосферных штормов на различные слои ионосферы, включая F-область, E-область и D-область, варьируется в зависимости от силы шторма. F-регион является наиболее затронутым слоем, так как он находится в самом высоком высота по сравнению с E-регионом и D-регионом. D-регион - это регион с наименьшей высотой и наименьшим геомагнитным возмущением.

F-регион

F-область - это самый высокий слой ионосферы и внутренний атмосфера, примерно на 200 км над поверхностью Земли и охватывающая около 300 км по общей высоте слоя. F2-область F-области (самая высокая высота внутреннего слоя атмосферы) будет затронута за счет уменьшения критическая частота и максимальная полезная частота, что необходимо 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 электронную плотность.^[15] Во время ионосферных бурь чаще наблюдаются "аномальные" увеличения и уменьшения ПЭС и электронная плотность происходить в F2-слое.^[16] Ионизация плотность также изменяется в F-области, уменьшаясь с увеличением высоты,^[17] и по мере увеличения плотности ионизации атомы теряют электроны и, следовательно, на более низких высотах теряется электронная плотность.^[18] Нижние слои F-области, такие как F1-слой, имеют более высокий уровень ионизации и меньшую электронную плотность.

Электронный регион

E-область - это средний слой ионосферы, расположенный примерно на 100 км над поверхностью Земли и простирающийся примерно на 100 км вверх. Воздействие на E-область в основном связано с высокими широтами слоя, где происходят более сильные геомагнитные возмущения. Ионизация в этом слое происходит преимущественно от частицы атмосферные осадки в полярных сияниях.^[19] Из-за его более низкой широты плотность ионизации выше, чем в F-области, и меньше плотность электронов. Вырос проводимость из токи вызвано конвекция электрические поля магнитосферы, бегущие по линиям магнитное поле в Е-регионе.^[19] Повышенная проводимость также является следствием ионосферной бури. Также наблюдается максимизация в E-области передачи энергии от плазма к нейтральные частицы который способствует «нагреву трением» и используется в качестве источника тепла для термосферы.^[19]

D-регион

D-область - это самый нижний слой ионосферы, примерно на 60 км над поверхностью Земли, а высота его слоя составляет около 30-40 км. Вершина D-области находится примерно на 90–100 км над поверхностью Земли. Когда случаются ионосферные бури, в D-области происходит усиленная ионизация электронов, вызывающая уменьшение асимметрии день-ночь (глубина DLPT).^[20] Глубина DLPT рассчитывается путем вычитания средней дневной ставки из средней ночной и деления ее на среднее значение.^[21] Глубина DLPT уменьшается по мере увеличения Ap в D-слое.

Воздействия

Радиосвязь

Есть сильные нарушения радио связь в случае ионосферной бури, где на средних и больших высотах,^[22] радиосвязь считается «неэффективной».^[22] Это связано с тем, что радиоволны обнаруживаются в ионосфере, где внезапное усиление солнечного ветра и заряженных электронов будет мешать. Воздействие помех, связанных с радиосвязью, может включать временные затемнения сигнала к радиоволна базирующиеся технологии, такие как телевизоры, радио и беспроводные телефоны.^[23] Глобальные воздействия различаются, включая ущерб цифровому радиовещанию и отображению информации с помощью технологий радиосвязи, которые могут временно исключить использование определенных технологий.

Самолет и электрические системы

Пассажиры и экипаж самолетов более подвержены опасному облучению во время ионосферной бури. Высота полета обычно составляет 10 км или более, поэтому, когда во время полета происходит ионосферная буря, люди в самолете потенциально получают примерно 0,1% шанс развития смертельной опасности. рак при жизни. Самолет при полете на высоте 10 км и выше будет подвергаться ионизованному излучению примерно в 300 раз больше, чем на уровне моря.^[24] Частицы под напряжением, произведенные ионосферной бурей, также потенциально могут причинить ущерб и разрушить "микроэлектроника схема »из-за эффекта единичного события (SEE), когда находящиеся под напряжением частицы соединяются с полупроводниковым устройством и вызывают отказ системы.^[24] Экипаж и пилот в этой ситуации во время короткого замыкания в электрооборудовании самолета будут переоценивать свою работу, что нанесет ущерб общей безопасности и благополучию пассажиров.

Спутники

Ионосферные бури оказывают видимое влияние на спутники и спутниковая связь. Солнечные батареи на спутниках будет шанс быть затронутым или разрушенным, и это приведет к нарушениям спутниковой связи и сигналов, обычно используемых для различных технологий. Это нарушение может препятствовать отправке сигналов, например, в виде вещание и передача данных.

Климат

Солнечные ветры, направленные к Земле^[25] и чрезмерное излучение, производимое им, имеет ограниченное влияние на климат. Излучение солнечного ветра достигает только самых высоких слоев атмосферы Земли, включая ионосферу. В нижних слоях атмосферы, где изменение климата можно регистрировать и контролировать, существуют минимальные тенденции, поддерживающие воздействие ионосферного шторма. Зарегистрировано, что увеличение количества солнечного ветра в марте 2012 г. в США «совпало».^[26] с волнами тепла, которые произошли в то время. Показано, что воздействие на климат ионосферных штормов на основе современных технологий практически не оказывает никакого воздействия.

Системы GPS и GNSS

Из-за искажений сигналов в ионосфере, вызванных ионосферными бурями, системы GPS сильно страдают. В конце 20-го и 21-го веков сигналы GPS встроены в различные телефоны, поэтому с момента их выпуска универсальность их использования значительно возросла. Это важная часть технологии, которая почти полностью затронута, поскольку служит для отображения направления, что может лишить людей возможности определять направление. В самолетах также используется направленное оборудование, такое как Global Navigation Satellite Services (GNSS), однако оно подвергается риску из-за радиационного повреждения спутников и солнечных элементов, которые необходимы для работы этой навигационной системы. Когда самолет теряет доступ к GNSS в случае ионосферного шторма, доступны резервные процедуры для самолета.^[24]

Технология обнаружения штормов

Во время события Кэррингтона в 1859 году, когда было только ограниченное количество доступных измерительных технологий, невозможно было точно зарегистрировать полную степень воздействия, кроме пересчета в газетных статьях, написанных в 1859 году. В конце 20-го и начале 21-го веков технология прогнозирования был улучшен. Эта технология позволяет метеорологам обнаруживать самую высокую частоту, которая может возвращаться вертикально. ^[27] 24 часа вперед с точностью 8-13% периодов с ограниченными помехами. Программа PropMan, созданная К. Дэвисом в начале 1970-х годов, содержит код ионосферного прогнозирования (IONSTORM) с целью прогнозирования максимальных используемых частот (МПЧ) во время ионосферных штормов, когда частоты связи F-области отрицательны.^[28]

Смотрите также

• Внезапное возмущение ионосферы (SID)
• Солнечная вспышка
• Событие солнечной частицы (SPE)
• Геомагнитная буря
• Космическая погода и гелиофизика
• Список солнечных бурь

использованная литература

1. Кандер, Лиляна Р. (15.09.2018). Ионосферная космическая погода. Springer. ISBN  978-3-319-99331-7.
2. Fagundes, P. R .; Cardoso, F.A .; Fejer, B.G .; Венкатеш, К .; Рибейро, Б.А. Г.; Пиллат, В. Г. (2016). «Положительные и отрицательные эффекты ионосферного шторма GPS-TEC во время экстремального явления космической погоды в марте 2015 года над бразильским сектором». Журнал геофизических исследований: космическая физика. 121 (6): 5613–5625. Bibcode:2016JGRA..121.5613F. Дои:10.1002 / 2015JA022214. ISSN  2169-9402.
3. Вход в eresources Библиотеки Сиднейского университета (PDF). login.ezproxy1.library.usyd.edu.au. Springer Geophysics. 2019. Дои:10.1007/978-3-319-99331-7. ISBN  978-3-319-99330-0. S2CID  134212887. Получено 2020-05-28.
4. Верхоглядова, О.П .; Цурутани, Б. Т .; Mannucci, A.J .; Mlynczak, M. G .; Хант, Л. А .; Paxton, L.J .; Комжати, А. (2016). «Солнечный ветер, приводящий в движение ионосферно-термосферные реакции во время трех бурь около Дня Святого Патрика в 2012, 2013 и 2015 годах». Журнал геофизических исследований: космическая физика. 121 (9): 8900–8923. Bibcode:2016JGRA..121.8900V. Дои:10.1002 / 2016JA022883. ISSN  2169-9402.
5. Кларк, Стюарт (01.09.2007). «Астрономический огонь: Ричард Кэррингтон и солнечная вспышка 1859 года». Стремление. 31 (3): 104–109. Дои:10.1016 / j.endeavour.2007.07.004. ISSN  0160-9327. PMID  17764743.
6. Ионосферные бури (ионосферная аномалия) (हिन्दी), получено 2020-05-28
7. c = AU; co = Содружество Австралии; ou = Департамент устойчивого развития, окружающей среды. "Сайт службы космической погоды". www.sws.bom.gov.au. Получено 2020-05-28.
8. «Ионосферные бури и космическая погода». www.albany.edu. Получено 2020-05-28.
9. Кроули, Джефф; Азим, Ирфан (2018-01-01), Бузулукова, Наталья (ред.), «Глава 23 - Экстремальные ионосферные штормы и их влияние на системы GPS», Экстремальные события в геокосмическом пространстве, Elsevier, стр. 555–586, ISBN  978-0-12-812700-1, получено 2020-05-28
10. c = AU; co = Содружество Австралии; ou = Департамент устойчивого развития, окружающей среды. "Сайт службы космической погоды". www.sws.bom.gov.au. Получено 2020-05-28.
11. «Вход в электронные ресурсы, Библиотека Сиднейского университета». Дои:10.1029 / 2018ja025674.
12. Hu, S .; Bhattacharjee, A .; Hou, J .; Вс, В .; Roesler, D .; Frierdich, S .; Gibbs, N .; Уитед, Дж. (1998). «Прогноз ионосферных штормов для высокочастотной связи». Радио Наука. 33 (5): 1413–1428. Bibcode:1998RaSc ... 33.1413H. Дои:10.1029 / 98RS02219. ISSN  1944-799X.
13. Данилов, А.Д .; Белик, Л. Д. (1992-10-01). «Состав термосферы и положительная фаза ионосферной бури». Успехи в космических исследованиях. 12 (10): 257–260. Bibcode:1992AdSpR..12..257D. Дои:10.1016 / 0273-1177 (92) 90475-Д. ISSN  0273-1177.
14. «Вход в электронные ресурсы, Библиотека Сиднейского университета». Дои:10.1029 / ja094ia12p16961.
15. Пиддингтон, Дж. Х. (1964-08-01). «Некоторые ионосферные эффекты солнечного ветра». Журнал исследований IETE. 10 (8): 285–291. Дои:10.1080/03772063.1964.11485057. ISSN  0377-2063.
16. Berényi, K.A .; Барта, В .; Кис, А. (Март 2018 г.). «Реакция среднеширотного ионосферного слоя F2 на геомагнитные возмущения над Венгрией, вызванные эруптивными солнечными событиями, во время максимума солнечного цикла 24: тематическое исследование». Успехи в космических исследованиях. 61 (5): 1230–1243. arXiv:1803.01847. Bibcode:2018AdSpR..61.1230B. Дои:10.1016 / j.asr.2017.12.021. ISSN  0273-1177. S2CID  119330894.
17. «Вход в электронные ресурсы библиотеки Сиднейского университета» (PDF). login.ezproxy2.library.usyd.edu.au. Дои:10.1007/978-3-642-97123-5_4. Получено 2020-05-28.
18. «Энергия ионизации и электроотрицательность». butane.chem.uiuc.edu. Получено 2020-05-28.
19. Буонсанто, М.Дж. (1999). «Вход в электронные ресурсы библиотеки Сиднейского университета» (PDF). Обзоры космической науки. 88 (3/4): 563–601. Дои:10.1023 / а: 1005107532631. S2CID  117314275. Получено 2020-05-28.
20. Чоудхури, Абхиджит; Де, Барин Кумар; Гуха, Анирбан; Рой, Ракеш (2015). «Эффекты длительной геомагнитной бури в области D ионосферы: некоторые тематические исследования с использованием сигнала ОНЧ». Журнал геофизических исследований: космическая физика. 120 (1): 778–787. Bibcode:2015JGRA..120..778C. Дои:10.1002 / 2014JA020738. ISSN  2169-9402.
21. Реншоу, А .; Абэ, Кацусигэ; Hayato, Y; Иоги, К; Камеда, Дж; Кишимото, Y; Миура, М; Морияма, Шигетака; Накахата, М. Накано, Y; Накаяма, S (07.03.2014). "Первое указание на влияние земной материи на колебание солнечного нейтрино". Письма с физическими проверками. 112 (9): 091805. arXiv:1312.5176. Bibcode:2014ПхРвЛ.112и1805Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.091805. PMID  24655245. S2CID  699574.
22. Хилл, Джеффри Э. (январь 1963 г.). «ВЧ связь во время ионосферных бурь». Журнал исследований Национального бюро стандартов Раздел D. 67D (1): 23. Дои:10.6028 / jres.067d.005. ISSN  1060-1783.
23. «Помехи сигналам радио, телевидения и беспроводного телефона». Федеральная комиссия связи. 2011-05-16. Получено 2020-05-28.
24. Воздействие космической погоды на авиацию. Западный Сассекс: Управление гражданской авиации. 2016. С. 17–24.
25. «Как солнечный ветер может повлиять на погоду и климат». Эос. Получено 2020-05-28.
26. «Вызывают ли солнечные бури волны тепла на Земле? | NOAA Climate.gov». www.climate.gov. Получено 2020-05-28.
27. c = AU; co = Содружество Австралии; ou = Департамент устойчивого развития, окружающей среды. "Сайт службы космической погоды". www.sws.bom.gov.au. Получено 2020-05-29.
28. Марин, Д; Миро, G; Михайлов, А (01.01.2000). «Метод краткосрочного прогнозирования foF2». Физика и химия Земли, Часть C: Солнечная, земная и планетарная науки. 25 (4): 327–332. Bibcode:2000PCEC ... 25..327M. Дои:10.1016 / S1464-1917 (00) 00026-X. ISSN  1464-1917.