Multiyear Trends of the Ion Composition and Temperature of the Mid-Latitude Lower Thermosphere

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Experimental data on measurements of the nitric oxide NO content in the mid-latitude lower thermosphere demonstrate its significant dependence on solar (and correspondingly) geomagnetic activity, which varies from undisturbed to strongly disturbed conditions up to three or four times or more. Such a dependence of [NO] on heliogeophysical factors cannot but affect the content of NO+ ions, which predominate (together with O+2 ions) at heights of 105–120 km. The analysis in the present work has confirmed this assumption: the φ+ = [NO+]/[O+2] ratio in the mid-latitude E layer of the ionosphere is indeed intricately correlated with solar activity. At the same time, data from vertical sounding of the ionosphere for 86 years of observations indicates a systematic multiyear increase of the critical frequency of the E layer (foE) at a fixed level of solar activity. Taking into account these circumstances made it possible to estimate the long-term variations of the neutral atmosphere temperature near the peak height of the E layer (hmE = 110–115 km). The calculations showed that between1931 and 2017, the annual mean temperature of the mid-latitude lower thermosphere increased at a linear rate exceeding 0.3–0.5 K/yr.

About the authors

G. V. Givishvili

Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Email: givi_dom@mail.ru
Moscow, Russia

L. N. Leshchenko

Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: givi_dom@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. – Бессараб Ф.С., Кореньков Ю.Н. Влияние динамических процессов на тепловой режим верхней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 33. № 5. С. 120− 126. 1993.
  2. – Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л.: Гидрометиздат. 413 с. 1987.
  3. – Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н., Лысенко Е.В., Перов С.П., Семенов А.И., Сергеенко Н.П., Фишкова Л.М., Шефов Н.Н. Многолетние тренды некоторых характеристик земной атмосферы. Результаты измерений //Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 32. № 3. С. 329−339. 1996.
  4. – Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Долговременные вариации температуры среднеширотной нижней термосферы // Доклады АН. Т. 371. № 4. С. 524−526. 2000.
  5. – Гивишвили Г.В., Иванов-Холодный Г.С., Лещенко Л.Н., Чертопруд В.Е. // Солнечные вспышки и газовый состав верхней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 2. С. 263−267. 2005. https://elibrary.ru/item.asp?id=9150015
  6. – Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Ионный состав слоя Е ионосферы и солнечная активность // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 6. С. 840−843. 2005.
  7. – Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Зависимость отношения [NO+]/[] в слое E ионосферы от солнечной активности // Сб. “Солнечно-земная физика”. Вып. 4 (127). ИСЗФ СО РАН. С. 93−96. 2009. https://sciup.org/ 142103382 IDR: 142103382
  8. – Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Многолетний тренд реакции Е-слоя ионосферы на солнечные вспышки // Солнечно-земная физика. Т. 8. № 1. С. 51−58. 2022а. https://doi.org/10.12737/szf-81202206
  9. – Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. О причинах охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 58. № 5. 2022б. https://doi.org/10.31857/S0002351522050042
  10. – Гордиец Б.Ф., Куликов Ю.Н., Марков Н.Н., Маров Н.Я. Численное моделирование нагрева и охлаждения газа в околоземном пространстве // Тр. ФИАН. Т. 130. С. 3−28. 1982.
  11. – Данилов А.Д., Смирнова Н.В. Долговременные тренды ионного состава в области E // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 37. № 4. С. 35−43. 1997.
  12. – Данилов А.Д., Семенов В.К., Симонов А.Г. Модель относительного ионного состава на высотах 60−200 км // Ионосферные исслед. Т. 34. С. 73−97. 1981.
  13. – Иванов-Холодный Г.С., Фирсов В.В. Спектр коротковолнового излучения Солнца при различных уровнях активности // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 14. № 3. С. 393−398. 1974.
  14. – Иванов-Холодный Г.С., Михайлов А.В. Прогнозирование состояния ионосферы. М. 190 с., 1980.
  15. – Колесник А.Г., Платонов В.И., Чернышев В.И. Трехмерная модель ионосферы для интерпретации и анализа экспериментов на ИСЗ в реальном времени // Космич. исслед. Т. 25. № 3. С. 400−409. 1987.
  16. – Кошелев В.В., Климов Н.Н., Сутырин Н.А. Аэрономия мезосферы и нижней термосферы. М.: Наука. 183 с. 1983.
  17. – Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Самосогласованная модель нижней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 42. № 6. С. 780−789. 2002.
  18. – Семенов А.И., Шефов Н.Н., Фишкова Л.М., Лысенко Е.В., Перов С.П., Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н., Сергеенко Н.П. Об изменении климата верхней и средней атмосферы // Доклады АН. Т. 349. № 1. С. 108−110. 1996.
  19. – Barth C.A. Rocket measurements of nitric oxide in the upper atmosphere // Planet. Space Sci. V. 14. № 7. P. 623−630. 1966. https://doi.org/10.1016/0032-0633(66)90046-8
  20. – Chandra S., Sinha K. The diurnal heat budget of the thermosphere // Planet. Space Sci. V. 21. № 4. P. 593−604. 1973.
  21. – Chapman S. The absorption and dissociative or ionizing effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotating Earth. // Proc. Phys. Soc. V. 43. № 26. P. 483. 1931.
  22. – Cravens T.E., Stewart A.I. Global morphology of nitric oxide in the lower E region // J. Geophys. Res. V. 83. № A6. P. 2453−2456. 1978.
  23. – Fehsenfeld F.C., Ferguson E.E. Recent laboratory measurements of D- and E- region ion-neutral reactions // Radio Sci. V. 7. № 1. P. 113–124. 1972. https://doi.org/10.1029/RS007i001p00113
  24. – Givishvili G.V. Seasonal features of the long-term thermosphere trends in the lower thermosphere// “Long-term Changes and Trends in the Atmosphere”. IAGA/ICMA/ PSMOS Workshop. Prague. 2–6 July. P. 6. 2001.
  25. – Emmert J.T., Drob D.P., Picone J.M. et al. NRLMSIS 2.0: A whole-atmosphere empirical model of temperature and neutral species densities // Earth and Space Science. V. 8. № 3. e2020EA001321. 2020. https://doi.org/10.1029/2020EA001321
  26. – Meira L.S. Rocket measurements of upper atmosphere nitric oxide and their consecquences to the lover ionosphere // J. Geophys. Res. V. 76. № 1. P. 202−212. 1971. https://doi.org/10.1029/JA076i001p00202
  27. – Mehr F.J., Biondi M.A. Electron temperature dependence and recombination of and NO+ ions with electrons // Phys. Rev. V. 181. № 1. P. 264−269. 1969. https://doi.org/10.1103/PhysRev.181.26410.1103/PhysRev.181.264
  28. – Qian L., Laštovička J., Roble R.G., Solomon S.C. Progress in observations and simulations of global change in the upper atmosphere //J. Geophys. Res. V. 116. № A00H05. 2011. https://doi.org/10.1029/2010JA016317
  29. – Solomon S., Liu H., March D., Mcinemdy J., Qian L., Vitt F. Thermosphere-ionosphere response to atmospheric climate change modeled by WACCM-X // Paper presented at the 9th Workshop on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere. Kühlungsborn, Germany, September 19– 23, 2016.
  30. – Titheridge J.E. Model results for the ionospheric E region: solar and seasonal changes // Ann. Geophysical. V. 15. № 1. P. 63–78. 1997. https://doi.org/10.1007/s00585-997-0063-9
  31. – Tohmatsu T., Iwagami N. Measurements of nitric oxide distribution in the upper atmosphere // Space Research 15. Akad.-Verl. P. 241–254. 1975.
  32. – Tohmatsu T., Iwagami N. Measurements of nitric oxide abundance in equatorial upper atmosphere // J. Geomagn. Geoelectr. V. 28. № 5. P. 343–358. 1976. https://doi.org/10.5636/jgg.28.343
  33. – URSI Handbook of ionogram interpretation and reduction. Report UAG-23. Boulder USA. 1972.
  34. – Zhang S. Holt J.M., Kurdzo J. Millstone Hill ISR observations of upper atmospheric long-term changes: Height dependency//J. Geophys. Res. V. 116. NA00H05. 2011. https://doi.org/10.1029/2010JA016414
  35. – Zhang S.R., Holt J.M., Erickson P., Goncharenko L., Nocolles M., McCready M., Kelly J. Strong ionospheric long-term cooling measured by multiple incoherent scatter radars // Paper presented at the 9th Workshop on Long-Term Changes and Trends in the Atmosphere (Kühlungsborn, Germany, September 19–23, 2016. https://www.iap-kborn.de/fileadmin/user_upload/Current_ issue/Workshops/Trends2016/detailed_program_3.html

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (44KB)
Indexing metadata
3.

Download (43KB)
Indexing metadata
4.

Download (208KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Г.В. Гивишвили, Л.Н. Лещенко