Search

Response of middle latitude ionospheric F-region to two sequential geomagnetic storms on 7–8 September 2017 has been studied using the incoherent scatter radar of Institute of Ionosphere $(49.60^{\circ}N, 36.30^{\circ}E)$. The G3-class geomagnetic storm on 7 September and the G4-class geomagnetic storm on 8 September had close intensities. The first geomagnetic storm was accompanied by the positive disturbance during the main phase and the negative disturbance during the recovery phase. Effects of the second geomagnetic storm caused the negative disturbance. The ionosphere was characterized by a largescale variation in critical frequency $fo F2$ (from 6 to 8 MHz and from 6 to 4 MHz), F2-layer peak height $hm F2$ (by 70–80 km) and the vertical plasma drift velocity oscillations (up to 50–80 m/s).

The equipment and methodical characteristics of determining the vertical component of the ionospheric plasma motion velocity Vz based on an incoherent scatter radar of Institute of Ionosphere, National Academy of Sciences and Ministry of Education and Science of Ukraine (Kharkiv), which is the only radar of such type in Central Europe, are described. Based on the radar data, the patterns of altitude and diurnal variations in Vz near the maximum of solar cycle 24 for the typical geophysical conditions (around the summer and winter solstices, the spring and fall equinoxes) at low geomagnetic activity and the specifics of these changes during ionospheric storms are presented. The results of modeling of the dynamic processes in ionospheric plasma under the conditions of the undisturbed ionosphere, including the determination of altitudetime variations in the thermospheric wind velocity, are presented. It has been established that this velocity can significantly differ from the thermospheric wind velocity calculated by the known empirical global models. This difference is likely related to the regional features of thermospheric wind that are not shown in the global models.

A comprehensive study of the response of the ionosphere-plasmasphere system at mid-latitudes to weak (Dstmin > -50 nT) magnetic storms is presented. For the first time, it is shown that weak magnetic disturbances can lead to significant modulation of ionosphere-plasmasphere H+ ion fluxes. It is found that this modulation is caused by the enhancements/reductions of the topside O+ ion density, which is induced by F2-layer peak height rise and fall during the storms. The F2-layer motion is caused by thermospheric wind changes and by a penetration electric field. Both drivers are closely related to the changes in the Bz component of interplanetary magnetic field. The most prominent manifestation of the H+ ion flux modulation is strong changes in H+ ion fraction in the topside ionosphere. This study also indicates that the NRLMSISE-00 model provides the correct relative changes of neutral H density during weak magnetic storms and also that there is a compelling need to include geomagnetic activity indices, in addition to solar activity (F10.7), as input parameters to empirical topside ionosphere models.

This study investigates the causes of nighttime enhancements in ionospheric density that are observed in winter by the incoherent scatter radar at Kharkiv, Ukraine. Calculations with a comprehensive physical model reveal that large downward ion fluxes from the plasmasphere are the main cause of the enhancements. These large fluxes are enabled by large upward H+ fluxes into the plasmasphere from the conjugate summer hemisphere during the daytime. The nighttime downward H+ flux at Kharkiv is sensitive to the thermosphere model H density, which had to be increased by factors of 2 to 3 to obtain model-data agreement for the topside H+ density. Other studies support the need for increasing the thermosphere model H density for all seasons at solar minimum. It was found that neutral winds are less effective than plasmaspheric fluxes for maintaining the nighttime ionosphere. This is partly because increased equatorward winds simultaneously oppose the downward H+ flux. The model calculations also reveal the need for a modest additional heat flow from the plasmasphere in the afternoon. This source could be the quiet time ring current.

УДК 550.385.4, 550.358:550.388 Приведены результаты расчетов эффектов возмущений теплового и динамического режимов верхней атмосферы Земли во время сильной магнитной бури 13–14 ноября 2012 г. Магнитная буря вызвала целый комплекс процессов, сопутствовавших возмущениям плазмы, электрических и магнитных полей в различных областях околоземного пространства. Подтверждено наличие в геомагнитных бурях как индивидуальных особенностей, так и общих закономерностей. Ключевые слова: геокосмическая буря, ионосферное возмущение, некогерентное рассеяние, динамические и тепловые процессы Статья поступила в редакцию 01.10.2014 Radio phys. radio astron. 2014, 19(4): 336-347 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Домнин И. Ф., Емельянов Л. Я., Кацко С. В., Черногор Л. Ф. Ионосферные эффекты геокосмической бури 13–14 ноября 2012 г. // Радиофизика и радиоастрономия. – 2014. – Т. 19, № 2. – С. 170–180. 2. Черногор Л. Ф., Домнин И. Ф. Физика геокосмических бурь. – Харьков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2014. – 408 с. 3. Черногор Л. Ф. Физика Земли, атмосферы и геокосмоса в свете системной парадигмы // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. – Т. 8, № 1. – С. 59–106. 4. Григоренко Е. И., Пазюра С. А., Таран В. И., Черногор Л. Ф., Черняев С.В. Динамические процессы в ионосфере во время сильнейшей магнитной бури 30–31 мая 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2005. – Т. 45, № 6. – С. 803–823. 5. Salah J. E. and Evans J. V. Measurements of thermospheric temperature by incoherent scatter radar. In: Space Research XIII. – Berlin: Academie – Verlag, 1973. – P. 268–286. 6. Picone J. M., Hedin A. E., Drob D. P., and Aikin A. C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. Space Phys. – 2002. – Vol. 107, Is. A12. – P. SIA15-1–SIA15-16. 7. Бэнкс П. М. Тепловая структура ионосферы // ТИИЭР. – 1969. – Т. 57, № 3. – С. 6–30. 8. Schunk R. W. and Nagy A. F. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry. – Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004. – 554 p. 9. Banks P. M. Charged particle temperatures and electron thermal conductivity in the upper atmosphere // Ann. Geophys. – 1966. – Vol. 22. – P. 577–584. 10. Dalgarno A. and Degges T. C. Electron cooling in the upper atmosphere // Planet. Space Sci. – 1968. – Vol. 16, Is. 1. – P. 125–127. 11. Сергеенко Н. П. Оценки электрических полей во время ионосферных возмущений. В кн.: Ионосферное прогнозирование. – М.: Наука, 1982. – С. 91–96. 12. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. – М.: Наука, 1987. – 528 с. 13. Домнин И. Ф., Емельянов Л. Я., Ляшенко М. В., Харитонова С. В., Черногор Л. Ф. Ионосферные процессы, сопровождавшие геокосмическую бурю 5–6 августа 2011 г. // Радиофизика и радиоастрономия. – 2012. – Т. 17, № 4. – С. 320–332. 14. Григоренко Е. И., Лысенко В. Н., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Результаты радиофизических исследований процессов в ионосфере, сопровождавших сильнейшую геомагнитную бурю 25 сентября 1998 г. // Успехи современной радиоэлектроники. – 2003. – № 9. – С. 57–94. 15. Григоренко Е. И., Лазоренко С. В., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Волновые возмущения в ионосфере, сопровождающие вспышку на Солнце и сильнейшую магнитную бурю 25 сентября 1998 г. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2003. – Т. 43, № 6. – С. 770–787. 16. Кацко С. В., Домнин И. Ф., Емельянов Л. Я., Ляшенко М. В., Черногор Л. Ф. Ионосферная буря 5–6 августа 2011 г.: результаты расчетов основных эффектов // Радиофизика и радиоастрономия. – 2014. – Т. 19, № 1. – С. 26–39. 17. Данилов А. Д. Реакция области F на геомагнитные возмущения (обзор) // Гелиогеофизические исследования. – 2013. – № 5. – С. 1–33. 18. Пазюра С. А., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Особенности ионосферной бури 4–6 апреля 2006 г. // Космічна наука і технологія. – 2008. – Т. 14, № 1. – С. 65–76. 19. Mansilla G. A. Mid-latitude effects of a great geomagnetic storm // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. – 2004. – Vol. 66, No. 12. – P. 1085–1091. 20. Mansilla G. A. Some effects in the upper atmosphere during geomagnetic storms // Adv. Space Res. – 2010. – Vol. 47, No. 6. – P. 930–937. 21. Sojka J. J., David M., Schunk R. W., and Heelis R. A. A modeling study of the longitudinal dependence of storm time midlatitude dayside total electron content enhancements // J. Geophys. Res. Space. Phys. – 2012. – Vol. 117, Is. A2. – id. A017000.

Приведены результаты исследования отклика области F и внешней ионосферы на сильную магнитную бурю 13–14 ноября 2012 г. (Kp max= 6+ ). Наблюдения проведены с помощью радара некогерентного рассеяния, расположенного вблизи г. Харькова. Магнитная буря сопровождалась ионосферной бурей со знакопеременными фазами. Особенностью данной бури является наличие двух положительных и одной отрицательной фаз возмущения. Ключевые слова: геокосмическая буря, фазы ионосферной бури, ионосфера, некогерентное рассеяние Статья поступила в редакцию 14.02.2014 Radio phys. radio astron. 2014, 19(2): 170-180 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Черногор Л. Ф., Домнин И. Ф . Физика геокосмических бурь. – Х.: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2014. – 408 с. 2. Chernogor L. F., Grigorenko Ye. I., Lysenko V. N., and Taran V. I. Dynamic processes in the ionosphere during magnetic storms from the Kharkov incoherent scatter radar observations // Int. J. Geomagn. Aeron. – 2007. – Vol. 7, No. 3. – id. GI3001. 3. Buonsanto M. J. Ionospheric Storms: A Review // Space Sci. Rev. – 1999. – Vol. 88, No. 3–4. – P. 563–601. 4. Mikhailov A. V. and Foster J. C. Daytime thermosphere above Millstone Hill during severe geomagnetic storms // J. Geophys. Res: Space Phys. – 1997. – Vol. 102, Is. A8. – P. 17275–17282. 5. Danilov A. D. F2 region response to geomagnetic disturbances // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. – 2001. – Vol. 63, Is. 5. – P. 441–449. 6. Домнин И. Ф., Емельянов Л. Я., Кацко С. В., Ляшенко М. В., Черногор Л. Ф. Ионосферные эффекты магнитной бури 13–15 ноября 2012 г. // Cб. тез. докл. 13-й украинской конф. по космическим исследованиям. – Евпатория (Украина). – 2013. – С. 52. 7. Кацко С. В. Геокосмическая буря 14 ноября 2012 года: результаты наблюдений на харьковском радаре некогерентного рассеяния // Сб. тез. докл. конф. ИОН-2013 “Дистанционное радиозондирование ионосферы”. – Малый Маяк, Крым (Украина). – 2013. – С. 46. 8. Черногор Л. Ф. Физика Земли, атмосферы и геокосмоса в свете системной парадигмы // Радиофизика и радиоастрономия. – 2003. – Т. 8, № 1. – С. 59–106. 9. Черногор Л. Ф. Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера как открытая динамическая нелинейная физическая система. 1 // Нелинейный мир. – 2006. – Т. 4, № 12. – С. 655–697. 10. Бархатов Н. А., Бархатова О. М. Выявление классов ионосферной возмущенности по многолетним данным о критической частоте слоя F2 // Геомагнетизм и аэрономия. – 2012. – Т. 52, № 4. – С. 510–518. 11. Mikhailov A. V., Skoblin M. G., and Forster M. Daytime F2-layer positive storm effect at middle and lower latitudes // Ann. Geophys. – 1995. – Vol. 13, No. 5. – P. 532–540. 12. Данилов А. Д., Морозова Л. Д. Ионосферные бури в области F2. Морфология и физика (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. – 1985. – Т. 25, № 5. – С. 705–721. 13. Кринберг И. А., Тащилин А. В. Ионосфера и плазмосфера. – М.: Наука, 1984. – 190 с. 14. Данилов А. Д., Морозова Л. Д., Мирмович Э. Г. О возможной природе положительной фазы ионосферных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. – 1985. – Т. 25, № 5. – С. 768–772. 15. Черногор Л. Ф. Земля – атмосфера – ионосфера – магнитосфера как открытая динамическая нелинейная физическая система. 2 // Нелинейный мир. – 2007. – Т. 5, № 4. – С. 225–246. 16. Chernogor L. F. The Earth – atmosphere – geospace system: main properties and processes // Int. J. Remote Sens. – 2011. – Vol. 32, No. 11. – P. 3199–3218.

Calculation of dynamic and thermal processes parameters during the severe magnetic storm of August 5–6, 2011 (Kp max=8−) are presented. The magnetic storm was accompanied by negative ionospheric disturbance over Kharkiv which caused a number of changes in ionosphere. Plasma heating was observed during electron concentration depression in the F-layer which was accompanied by changes in neutral atmosphere composition and ionospheric dynamics.

We describe the observation results of ionospheric disturbances at altitudes of 100 to 140 km, which occurred at a distance of about 1000 km from the Sura facility. The observations have been made using the incoherent scatter radar located near Kharkov. The electron density increase by 10–70 % had a temporal duration of 10–20 min and accompanied the high-power HF heating. The time of disturbance evolution was about 10 min. The observation effect can be explained by the intensification of the subsystem coupling in the ionosphere–magnetosphere–upper atmosphere– ionosphere system, which leads to a precipitation of energetic electrons from the magnetosphere. Parameters of the precipitating particles and precipitation-produced ionization are estimated.

We describe the results of using the incoherent scatter technique to observe time-altitude variations in regular parameters of the ionospheric plasma and wave disturbances, which accompanied periodic modification of the near-Earth plasma by radio waves emitted by the “Sura” facility. A distinctive feature of the experiments was that the processes in the ionosphere were diagnosed at a distance of about 1000 km from the facility. It was found that the spectrum composition of wave disturbances in the electron density was changing noticeably during the active experiment. Quasi-periodic processes in the ionosphere were observed with a delay of about 40–60 min. The relative amplitude of wave disturbances was equal to 0.02–0.10, and the periods were equal to 30, 60, 120, and 150–180 min. The observed effect can be explained by the generation and/or amplification of traveling ionospheric disturbances. The results of theoretical estimations agree well with the observational data.