С использованием представительной статистики трехмерных характеристик распространения внутренних гравитационных волн в верхней атмосфере (ВГВ), полученной на Иркутском радаре некогерентного рассеяния (ИРНР), показано, что наблюдаемая анизотропия направлений распространения ВГВ в каждый момент времени может быть объяснена интегральным действием нейтрального ветра в толще атмосферы на пути распространения волн.

Вероятность наблюдения увеличивается для ВГВ, распространяющихся в направлении противоположном действующему на высоте наблюдения нейтральному ветру. Напротив, в направлении совпадающим с сильным нейтральным ветром (более 50 м/с) на любой из высот, через которые ВГВ прошли, прежде чем достигнуть высоты наблюдения, распространение ВГВ блокируется.

Установлено также, что характер анизотропии наблюдаемых в верхней атмосфере ВГВ меняется в зависимости от пути распространения волн. Особенности распределения вероятности наблюдения ВГВ по направлениям для волн с различными углами наклона волнового фронта также хорошо объясняются действием нейтрального ветра.

В цикле работ, проведенных ранее на ИРНР [1-3], по изучению волновой активности в верхней атмосфере разработаны методы автоматического выделения среди наблюдаемых перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) тех возмущений, которые соответствуют ВГВ. Периоды долговременных наблюдений ИРНР с 2007 по 2016 годы позволили собрать уникальные данные о трехмерной пространственно-временной структуре ВГВ с периодами от 40 минут до 6 часов, включая полный вектор скорости их перемещения. В настоящей работе на основе анализа этой представительной статистики была исследована природа существующей выраженной анизотропии наблюдаемых ионосферных возмущений по направлениям их распространения.

Среди возможных причин неоднородности вероятности наблюдения ПИВ в зависимости от азимута их распространения исследователи выделяют три основных

• анизотропия источников;
• влияние магнитного поля на условия распространения ионосферных возмущений;
• влияние нейтрального ветра на условия распространения ВГВ.

На рисунке 1 показано распределение числа ВГВ, наблюдаемых на ИРНР, и средняя горизонтальная скорость их распространения в зависимости от азимута.

Рис. 1 Распределения по азимутам распространения. Черная кривая – относительная частота наблюдения ВГВ, красная – средняя скорость наблюдаемых ВГВ. Синяя линия – направление геомагнитного поля над ИРНР.

Как можно видеть, максимумы распределения не соответствуют направлению вдоль геомагнитного поля и, кроме того, главная ось распределения характерных скоростей распространения возмущений перпендикулярна оси числа наблюдаемых ВГВ. Такое соотношение возможно в том случае, если распределения азимутов ВГВ определяется нейтральным ветром.

Нейтральный ветер понижает амплитуду ВГВ, распространяющихся по ветру и повышает в противоположном [4]. Одновременно в соответствии с выражением

меняется и горизонтальная скорость ВГВ, наблюдаемая наземным способом. Таким образом, соотношения, приведенные на рисунке 1 указывают на то, что основную причину наблюдаемой анизотропии следует искать в явлениях взаимодействия ВГВ с нейтральным ветром.

На рисунке 2 цветом показано распределение ВГВ по времени и азимутам. Белыми изолиниями показаны контуры благоприятного ветра по данным модели HWM2007.

Благоприятный ветер определим как распределение отрицательных проекций нейтрального ветра:

где |V| - модуль скорости нейтрального ветра на высоте наблюдения, φ – азимут распростране-ния ВГВ, φW – азимут нейтрального ветра на высоте наблюдения. Можно видеть, что максиму-мы в распределении азимутов ВГВ совпадают с направлениями противоположными наиболее сильным и часто встречающихся в это время ветрам. Однако, наблюдения показывают, что от 20 до 2 часов местного времени около азимута 300 градусов отсутствует значимое число воз-мущений, хотя картина ветров на высоте наблюдения благоприятствует их распространению.

Рис.2. Цветом показано распределение ПИВ по времени и азимутам, белые изолинии – контуры разрешающего ветра, красные изолинии – контуры запрещающего ветра.

Этот факт может быть связан с тем, что условия распространения ВГВ влияет не только ветер на высоте наблюдения, но и ветер на высотах через которые волны прошли прежде, чем до-стигнуть этой высоты. Сильные ветра на высотах через которые ВГВ прошли, могут препят-ствовать распространению волн. Наиболее сильное влияние оказывают ветра на высотах от 90 до 200 км, где их направления резко меняется с высотой, вплоть до изменения его на противо-положенное. Определим запрещающий ветер, как сумму положительных проекций нейтрального ветра больших 50м/с на высотах 90-200 км:

Как можно видеть из рисунка 2 комбинация благоприятного и запрещающего ветров хорошо описывает распределения азимутов ПИВ по времени.

Дополнительное подтверждение этим выводам может получить, изучив различие в ха-рактере анизотропии для ВГВ, которые имеют различные пути распространения в верхней ат-мосфере. Большая часть ВГВ (более 80%) имеет фазовую скорость направленную сверху вниз (отрицательный угол наклона волнового фронта), что соответствует ВГВ распространяющейся от источника, лежащего ниже рассматриваемой области. Возмущения с положительными угла-ми наклона волнового фронта, составляют до 17% от всех наблюдений, и могут быть условно разделены на два диапазона: 0º-45º(отражения ВГВ от областей резкого изменения ветра распо-ложенных выше точки наблюдения ~9%) и 45º-90º(ВГВ от источников выше рассматриваемой области ~8%). Распределение азимутов для отражённых волн должно повторять распределение азимутов ВГВ с отрицательными углами наклона волнового фронта, но быть более узконаправленным, так как данные ВГВ прошли двойную фильтрацию нейтральным ветром. Распределение азимутов для ВГВ от источников выше рассматриваемой области должно определяться ветрами выше точки наблюдения и может отличаться от распределения азимутов волн с отрицательными углами наклона волнового фронта.

Рис.3. Распределение азимутов ПИВ – чёрные линии, заштрихованные сектора - запрещённые ветром области распространения.

Как можно видеть из рисунка 3 распределение азимутов ВГВ в зависимости от их пути в верхней атмосфере подтверждает выводы об определяющем значении нейтрального ветра в объяснении причин наблюдаемой анизотропии направлений распространения ВГВ в верхней атмосфере.

Литература:

1. Medvedev, A.V., K.G. Ratovsky, M.V. Tolstikov and D.S. Kushnarev, (2009), Method for Studying the Spatial–Temporal Structure of Wave-Like Disturbances in the Ionosphere. Geomagnetism and Aeronomy. Vol. 49, №.6, 775–785.
2. Medvedev, A.V., K.G. Ratovsky, M.V. Tolstikov, S.S. Alsatkin and A.A. Scherbakov, (2013), Studying of the spatial-temporal structure of wavelike ionospheric disturbances on the base of Irkutsk incoherent scatter radar and Digisonde data, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 105-106., 350-357., 10.1016/j.jastp.2013.09.001
3. Medvedev, A.V., K.G. Ratovsky, M.V. Tolstikov, S.S. Alsatkin and A.A. Scherbakov, (2015), A statistical study of internal gravity wave characteristics using the combined Irkutsk Incoher-ent Scatter Radar and Digisonde data // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 132, p.13-21., 10.1016/j.jastp.2015.06.012
4. Pogoreltsev, A.I., N.N Pertsev, (1996), The influence of background wind on the formation of the acoustic-gravity wave structure in the thermosphere //Izvestiya. Atmospheric and oceanic phys-ics Vol. 132, №6, p.723-728.

Публикации:

1. Медведев А.В, Толстиков М.В, Ратовский К.Г., Алсаткин С.С., Кушнарев Д.С. Исследо-вание взаимодействия внутренних гравитационных волн с нейтральным ветром по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния и ионозонда DPS-4. // Сборник трудов XXV Всероссийской открытой конференции «Распространение Радиоволн», Томск 2016.