Response of the Ionospheric F2 Layer to the Geomagnetic Storm of February 26‒28, 2023

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The results of studies of the behavior of the main characteristics of the F region of the ionosphere during a strong long-lasting magnetic storm on February 26–28, 2023 are presented. Variations in the critical frequency of the ionospheric F2 layer foF2 (characterizing the maximum electron density) and the height of the maximum of the F2 layer of ionosphere hmF2 are analyzed based on their relative deviations from quiet conditions. In the European region, a positive pre-storm anomaly in foF2 variations and a negative anomaly after the onset of a magnetic storm have been identified. It has been established that the hmF2 height changes greatly during a magnetic storm. The dependence of the ionospheric response on the location of the ionospheric station is shown.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. A. Ryabova

Sadovsky Institute of Geosphere Dynamics of the Russian Academy of Sciences; Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: riabovasa@mail.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

References

  1. Анисимов С.В., Шихова Н.М., Клейменова Н.Г. Отклик магнитосферной бури в атмосферном электрическом поле средних широт // Геомагнетизм и аэрономия. T. 61. № 2. С. 172‒183. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021020024
  2. Апсен А.Г., Канониди Х.Д., Чернышева С.П., Шефтель В.М. Магнитосферные эффекты в атмосферном электричестве. М.: Наука, 150 с. 1988.
  3. Благовещенский Д.В. Влияние геомагнитных бурь/суббурь на ионосферу. Ч. 1. (Обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 53. № 3. С. 291–307. 2013. https://doi.org/10.7868/S0016794013030036
  4. Деминов М.Г., Шубин В.Н. Эмпирическая модель положения главного ионосферного провала // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 3. С. 366–373. 2018. https://doi.org/10.7868/S0016794018030070
  5. Захаров В.И., Ясюкевич Ю.В., Титова М.А. Влияние магнитных бурь и суббурь на сбои навигационной системы GPS в высоких широтах // Космич. исслед. Т. 54. № 1. С. 23–33. 2016. https://doi.org/10.7868/S0023420616010143
  6. Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Оджимек А., Малышева Л.М. Влияние суббурь в ночном секторе Земли на вариации приземного атмосферного электрического поля в полярных и экваториальных широтах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 52. № 4. С. 494–500. 2012.
  7. Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Михновски С., Кубицки М. Эффект магнитных бурь в вариациях атмосферного электрического поля в средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 5. С. 650–659. 2008.
  8. Константинова А.В., Данилов А.Д. Поведение ионосферной области F2 перед геомагнитной бурей // Гелиогеофиз. исслед. Вып. 22. С. 33–51. 2019.
  9. Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В., Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Суроткин В.А., Глущенко Т.А., Наумова Н.М. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 30. № 4. С. 612–619. 1990.
  10. Романова Е.Б., Жеребцов Г.А., Ратовский К.Г., Полех Н.М., Ши Д., Ванг С., Ванг Г. Сравнение отклика F2-области ионосферы на геомагнитные бури на средних и низких широтах // Солнечно-земная физика. Вып. 22. С. 27–30. 2013.
  11. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм. Pед. H.В. Медникова. М.: Наука, 342 с. 1977.
  12. Рябова С.А. Исследование вариаций параметров электрического поля в период магнитных бурь в 2018 г. // Процессы в геосредах. № 4(26). C. 948‒956. 2020.
  13. Рябова С.А., Спивак А.А. Вариации электрических характеристик приземной атмосферы в периоды магнитных бурь // Докл. РАН. Науки о Земле. T. 497. № 1. C. 71−77. 2021. https://doi.org/10.31857/S2686739721030099
  14. Спивак А.А., Рябова С.А., Рыбнов Ю.С., Харламов В.А. Ошибки позиционирования GPS в периоды магнитных бурь // Докл. РАН. Науки о Земле. T. 500. № 2. С. 173‒177. 2021. https://doi.org/10.31857/S2686739721100169
  15. Черниговская М.А., Шпынев Б.Г., Ясюкевич А.С. и др. Долготные вариации отклика среднеширотной ионосферы северного полушария на геомагнитную бурю в октябре 2016 г. с помощью мультиинструментальных наблюдений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 18. № 5. С. 305–317. 2021. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-5-305-317
  16. Черниговская М.А., Шпынев Б.Г., Ясюкевич А.С., Хабитуев Д.С. Ионосферная долготная изменчивость в северном полушарии во время магнитных бурь по данным ионозондов и GPS/ГЛОНАСС // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 17. № 4. С. 269–281. 2020. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-4-269-281.
  17. Шпынев Б.Г., Золотухина Н.А., Полех Н.М. и др. Исследование ионосферного отклика на сильную геомагнитную бурю в марте 2015 года по данным евразийской цепи ионозондов //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 14. № 4. С. 235–248. 2017. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-4-235-248
  18. Andonov B., Bojilova R., Mukhtarov P. Global distribution of total electron content response to weak geomagnetic activity // Comptes rendus de l’Acade’mie bulgare des Sciences. V. 74. № 7. P. 1032–1042. 2021. https://doi.org/10.7546/CRABS.2021.07.10
  19. Astafyeva E., Yasyukevich Y.V., Maletckii B., Oinats A., Vesnin A., Yasyukevich A.S., Syrovatskii S., Guendouz N. Ionospheric disturbances and irregularities during the 25–26 August 2018 geomagnetic storm // J. Geophys. Res. − Space. V. 127. № 1. ID e2021JA029843. 2022. https://doi.org/10.1029/2021JA029843
  20. Bojilova R., Mukhtarov P. Comparative analysis of global and regional ionospheric responses during two geomagnetic storms on 3 and 4 February 2022 // Remote Sensing. V. 15. № 7. ID 1739. 2023. https://doi.org/10.3390/rs15071739
  21. Bojilova R., Mukhtarov P. Response of the electron density profiles to geomagnetic disturbances in January 2005 // Stud. Geophys. Geod. V. 63. № 3. P. 436–454. 2019. https://doi.org/10.1007/s11200-019-0510-6
  22. Buonsanto M.J. Ionospheric storms − a review // Space Sci. Rev. V. 88. № 3–4. P. 563–601. 1999. https://doi.org/10.1023/A:1005107532631
  23. Burešová D., Laštovička J. Pre-storm enhancements of foF2 above Europe // Adv. Space Res. V. 39. № 8. P. 1298‒1303. 2007. https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.03.003
  24. Danilov A.D. Long-term trends of foF2 independent on geomagnetic activity // Ann. Geophys. V. 21. № 5. P. 1167–1176. 2003. https://doi.org/10.5194/angeo-21-1167-2003
  25. Danilov A.D., Lastovička J. Effects of geomagnetic storms on the ionosphere and atmosphere // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy. V. 2. № 3. P. 209–224. 2001.
  26. Frank-Kamenetskii A.V., Kotikov A.L., Kruglov A.A., Burns G.B., Kleimenova N.G., Kozyreva O.V., Kubitski M., Odzimek A. Variations in the near-surface atmospheric electric field at high latitudes and ionospheric potential during geomagnetic perturbations // Geomagn. Aeronomy. V. 52. № 5. P. 629–638. 2012. https://doi.org/10.1134/S0016793212050064
  27. Frank-Kamenetsky A.V., Trochichev O.A., Burns G.B., Papitashvili V.O. Variations of the atmospheric electric field in the near-pole region related to the interplanetary magnetic field // J. Geophys. Res. – Space. V. 106. № 1. P. 179–190. 2001. https://doi.org/10.1029/2000JA900058
  28. Gordienko G.I., Vodyannikov V.V., Yakovets A.F. Geomagnetic storm effects in the ionospheric E- and F-regions // J. Atmos. Sol-Terr. Phy. V. 73. № 13. P. 1818‒1830. 2011. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2011.04.008
  29. Grandin M., Aikio A.T., Kozlovsky A., Ulich T., Raita T. Effects of solar wind high-speed streams on the high-latitude ionosphere: Superposed epoch study // J. Geophys. Res. – Space. V. 120. № 12. P. 10669–10687. 2015. https://doi.org/10.1002/2015JA021785
  30. Heelis R.A., Sojka J.J., David M., Schunk R.W. Storm time density enhancements in the middle-latitude dayside ionosphere // J. Geophys. Res. – Space. V. 114. № 3. ID A03315. 2009. https://doi.org/10.1029/2008JA013690
  31. Huang C.M. Disturbance dynamo electric fields in response to geomagnetic storms occurring at different universal times // J. Geophys. Res. – Space. V. 118. № 1. P. 496–501. 2013. https://doi.org/10.1029/2012JA018118
  32. Jiang C., Yang G., Zhao Z., Zhang Y., Zhu P., Sun H. An automatic scaling technique for obtaining F2 parameters and F1 critical frequency from vertical incidence ionograms // Radio Sci. V. 48. № 6. P. 739–751. 2013. https://doi.org/10.1002/2013RS005223
  33. Kelley M.C., Vlasov M.N., Foster J.C., Coster A.J. A quantitative explanation for the phenomenon known as storm-enhanced density // Geophys. Res. Lett. V. 31. № 19. ID L19809. 2004. https://doi.org/10.1029/2004GL020875
  34. Kil H., Kwak Y.S., Paxton L.J., Meier R.R., Zhang Y. O and N2 disturbances in the F region during the 20 November 2003 storm seen from TIMED/GUVI // J. Geophys. Res. – Space. V. 116. № 2. ID 02314. 2011. https://doi.org/10.1029/2010JA016227
  35. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Ratovsky K.G., Goncharenko L.P., Sahai Y., Fagundes P.R., de Jesus R., de Abreu A.J., Vesnin A.M. Numerical modeling of ionospheric effects in the middle- and low-latitude F region during geomagnetic storm sequence of 9–14 September 2005 // Radio Sci. V. 46. № 3. ID RS0D03. 2011. https://doi.org/10.1029/2010RS004590
  36. Kotov D.V., Richards P.G., Bogomaz O.V., Chernogor L.F., Truhlík V., Emelyanov L.Ya., Chepurnyy Ya.M., Domnin I.F. The importance of neutral hydrogen for the maintenance of the midlatitude winter nighttime ionosphere: evidence from IS observations at Kharkiv, Ukraine, and field line interhemispheric plasma model simulations // J. Geophys. Res. – Space. 2016. V. 12. № 7. P. 7013–7025. https://doi.org/10.1002/2016JA022442
  37. Kotov D.V., Richards P.G., Truhlík V. et al. Coincident observations by the Kharkiv IS radar and ionosonde, DMSP and Arase (ERG) Satellites, and FLIP model simulations: implications for the NRLMSISE-00 hydrogen density, plasmasphere, and ionosphere // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. № 16. P. 8062–8071. https://doi.org/10.1029/2018GL079206
  38. Kumar E.A., Kumar S. Geomagnetic storm effect on F2-region ionosphere during 2012 at low- and mid-latitude stations in the Southern hemisphere // Atmosphere. V. 13. № 3. ID 480. 2022. https://doi.org/10.3390/atmos13030480
  39. Laštovička J. Effects of geomagnetic storms in the lower ionosphere, middle atmosphere and troposphere // J. Atmos. Terr. Phys. V. 58. № 7. P. 831‒843. 1996. https://doi.org/10.1016/0021-9169(95)00106-9
  40. Laštovička J. Monitoring and forecasting of ionospheric space weather effects of geomagnetic storms // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 64. № 5–6. P. 697–705. 2002. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(02)00031-7
  41. Liou K., Newell P.T., Anderson B.J., Zanetti L., Meng C.-I. Neutral composition effects on ionospheric storms at middle and low latitudes // J. Geophys. Res. – Space. V. 110. № 5. ID A05309. 2005. https://doi.org/10.1029/2004JA010840
  42. Matsushita S. A study of the morphology of ionospheric storms// J. Geophys. Res. V. 64. № 3. P. 305–321. 1959. https://doi.org/10.1029/JZ064i003p00305
  43. Matyjasiak B., Przepiórka D., Rothkaehl H. Seasonal variations of mid-latitude ionospheric trough structure observed with DEMETER and COSMIC // Acta Geophys. 2016. V. 64. № 6. P. 2734–2747. https://doi.org/10.1515/acgeo-2016-0102
  44. Mayr H.G., Volland H. Magnetic storm effects in the neutral composition // Planet. Space Sci. V. 20. № 3. P. 379–393. 1972. https://doi.org/10.1016/0032-0633(72)90036-0
  45. Mendillo M. Storms in the ionosphere: Patterns and processes for total electron content // Rev. Geophys. V. 44. № 4. ID RG4001. 2006. https://doi.org/10.1029/2005RG000193
  46. Mikhailov A.V., Perrone L. Pre-storm F2-layer Q-disturbances at middle latitudes: Do they exist? // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 213. ID 105473. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105473
  47. Prölss G.W., Werner S. Vibrationally excited nitrogen and oxygen and the origin of negative ionospheric storms // J. Geophys. Res. – Space. V. 107. № 2. ID 1016. 2002. https://doi.org/10.1029/2001JA900126
  48. Rishbeth H. F-region storms and thermospheric dynamics // J. Geomag. Geoelectr. V. 43. Suppl. P. 513–524. 1991. https://doi.org/10.5636/jgg.43.Supplement1_513
  49. Rishbeth H. How the thermospheric circulation affects the ionospheric F2-layer // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. V. 60. № 14. P. 1385–1402. 1998. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(98)00062-5
  50. Tsurutani B., Mannucci A., Iijima B. et al. Global dayside ionospheric uplift and enhancement associated with interplanetary electric fields // J. Geophys. Res.− Space. V. 109. № 8. ID A08302. 2004. https://doi.org/10.1029/2003JA010342
  51. ISGI (2023). International Service of Geomagnetic Indices. http://www.isgi.unistra.fr
  52. NOAA (2023). ACE real-tıme solar wınd. https://www.swpc.noaa.gov/products/ace-real-time-solar-wind
  53. SDO (2023). Solar Dynamics Observatory. https://sdo.gsfc.nasa.gov/
  54. GIRO (2023). Global ionosphere radio observatory. https://giro.uml.edu/

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Variations of solar wind parameters: Bz-component of the interplanetary magnetic field (Bz-MMP), solar wind velocity vsw and proton concentration (solar wind density) and variations of geomagnetic planetary indices Kp, Dst and SYM-H.

Download (418KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Map of ionospheric stations in the European region (station codes are given in the figure field).

Download (135KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Variations of the critical frequency and maximum height of the ionospheric F2-layer for the period from 26 to 28 February 2023 (circles) and averaged daily variations of these ionospheric parameters during the magnetically quiet period (solid line) at the ionospheric station; vertical line - beginning of the magnetic storm.

Download (182KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Variations of critical frequency of the F2-layer of the ionosphere relative to background values for the period 26-28 February 2023 at the ionospheric stations: Warsaw, Gibilmanna, Dourbes, El Arenosillo, Moscow, Rome, Chilton and Juliusruh (the station codes are given in the figure field); the vertical line - the beginning of the magnetic storm.

Download (434KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Variations of the maximum height of the ionospheric F2 layer relative to background values at the ionospheric stations: Athens, Dourbes, El Arenosillo, Nicosia, Moscow, San Vito, Chilton and Juliusruh (the station codes are given in the figure field); the vertical line - the beginning of the magnetic storm.

Download (616KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences