Динамика нижней ионосферы на основе исследования статистических характеристик скорости вертикального движения среды

В НИРФИ ННГУ в течение многих лет проводятся исследования нижней ионосферы Земли, в том числе, ее динамики на высотах мезосферы и нижней термосферы (высоты 50–130 км) [1]. Большой объем данных получен по измерению скорости регулярного вертикального движения плазмы, которая на указанных высотах движется со скоростью нейтральной компоненты. Экспериментальные исследования проводились методом резонансного рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях (ИПН) ионосферной плазмы, создаваемых при воздействии на ионосферу мощным высокочастотным радиоизлучением нагревного стенда СУРА. При этом определение вертикальной скорости производилось по измерению фазы рассеянного сигнала на стадии релаксации искусственных неоднородностей, то есть в условиях невозмущенной ионосферы. В результате этих исследований, осуществлённых в разных природных условиях, получено, что важной особенностью динамики вертикальной скорости являются быстрые временные вариации – изменение величины и направления скорости в течение 15 с, то есть за время одного измерения, при этом величина скорости могла достигать 10 м/с и более. Кроме того, часто имело место регулярное волнообразное изменение величины скорости в зависимости от высоты, наблюдались также волнообразные временные вариации с периодами, характерными для атмосферных волн [2].
В данной работе сделан акцент на исследовании статистических характеристик вертикальной скорости. На данном этапе статистический анализ применен к летне-осенним измерениям скорости в июне 2023 г., августе 2015, 2017, 2018 гг., сентябре 2016, 2017, 2018, 2019, 2024 гг., октябре 2018 и 2014 гг. Получено, что средние значения вертикальной скорости за длительные интервалы времени (час, сутки и более) в основном изменялись от –3 м/с (направление вверх) до +5 м/с (направление вниз). Большие по сравнению с моделями атмосферной циркуляции значения скорости свидетельствуют о значительном вкладе внутренних гравитационных волн в динамику нижней ионосферы [3]. Получены гистограммы распределения, изучены корреляционные связи значений скорости на разных высотах. Для каждого распределения рассчитаны коэффициенты асимметрии и эксцесса, в первом приближении характеризующие его отклонение от нормального [4]. Среднее значение и медиана распределения, например, для 27 сентября 2016 г. и 26 сентября 2017 г. на высотах 84–110.6 км отличались не более, чем на 0.07 м/с, а среднеквадратичное отклонение от среднего значения увеличивалось с высотой, что означает рост вклада разного рода динамических явлений, в том числе, атмосферных волн в вариации вертикальной скорости. Выделены два высотных интервала значимых корреляционных связей. Так, для 27 сентября 2016 г. сравнительно высокий уровень корреляции (r> 05) получен для рядов данных на высотах 107.8–121.8 км. Для некоторых пар высот (с разностью между ними 1.4 км) коэффициент корреляции достигал 0.9. Менее коррелированы были скорости на высотах 84.0–95.2 км. Важной является взаимосвязь турбулентных движений и регулярного вертикального движения среды. В [1,5] приведены результаты определения скорости турбулентного движения на высотах мезосферы–нижней термосферы и показано, что в многих случаях она достигает значений, сопоставимых со скоростью регулярного вертикального движения.
Работа выполнена при поддержке РНФ по гранту № 25-27-00031.