Wykonane przez satelitę Terra, to prawdziwe kolorowe zdjęcie Queensland w Australii zostało zrobione 17 stycznia 2022 r. o 00:30 (UTC) (10:30 AM AEST). Na tym zdjęciu widać, jak popiół z erupcji Hunga Tonga z 15 stycznia nadal przemieszcza się przez region. Public Domain.
Streszczenie
Erupcja wulkanu Hunga Tonga Hunga Ha’apai 15 stycznia 2022 r. znacząco wpłynęła na dolną i górną atmosferę na całym świecie. Korzystając z obserwacji wieloinstrumentalnych, opisaliśmy zaburzenia od powierzchni morza do jonosfery związane z falami atmosferycznymi generowanymi przez erupcję wulkanu. Wykryto zaburzenia w ciśnieniu atmosferycznym, poziomym polu magnetycznym, równikowym strumieniu elektrostrumieniowym (EEJ), dryfach plazmy jonosferycznej, całkowitej zawartości elektronów (TEC), neutralnych wiatrach mezosferycznych i dolnych termosferycznych (MLT) oraz wirtualnej wysokości jonosferycznej mierzonej na niskich szerokościach magnetycznych w zachodnim sektorze Ameryki Południowej (głównie w Peru). Propagację fali Lamb w kierunku wschodnim zaobserwowano w obserwatorium radiowym Jicamarca w dniu erupcji o 13:50 UT i w drodze powrotnej z punktu antypodalnego (na zachód) następnego dnia o 07:05 UT. Zaburzenia składowej poziomej pola magnetycznego (wskazujące na zmiany EEJ) wykryto między 12:00 a 22:00 UT. W tym samym okresie pomiary GNSS-TEC wędrujących zaburzeń jonosferycznych (TID) zbiegły się mniej więcej z czasem przybycia fal Lamb i tsunami. Z drugiej strony, duża zmienność wiatrów MLT w kierunku zachodnim wystąpiła około 18:00 UT nad Peru. Jednak zaburzenia MLT spowodowane możliwymi falami zachodnimi z antypodu nie zostały zidentyfikowane. Ponadto, dzienne pionowe dryfy plazmy wykazały niezwykłe zachowanie w dół między 12:00 a 16:00 UT, po którym nastąpiło wzmocnienie w górę między 16:00 a 19:00 UT. Nietypowe dzienne dryfy plazmy strefowej w kierunku wschodnim obserwowano, gdy oczekiwano dryfów w kierunku zachodnim. Zmiany w EEJ są silnie skorelowane z zaburzeniami w pionowym dryfie plazmy wykazującym przeciwrównikowy strumień elektrostrumieniowy (CEEJ) między 12:00 a 16:00 UT. Te obserwacje dryfów plazmy i EEJ są, jak dotąd, jedynymi naziemnymi pomiarami radarowymi tych parametrów w zachodnim regionie Ameryki Południowej po erupcji. Przypisaliśmy dryf jonów i zaburzenia EEJ dużym zmianom wiatru termosferycznego wywołanym przez erupcję, które zmieniły pole elektryczne dynama w regionach Halla i Pedersena. Tego typu wielokrotne i jednoczesne obserwacje mogą przyczynić się do pogłębienia naszej wiedzy na temat procesów jonosferycznych związanych ze zdarzeniami zagrożenia naturalnego i interakcją z dolnymi warstwami atmosfery.
Streszczenie graficzne

Wstęp
Zjawiska takie jak trzęsienia ziemi, wybuchy meteorytów, wybuchy nuklearne, tsunami i erupcje wulkanów mogą wywołać przemieszczające się zaburzenia w atmosferze, które można wykryć na całym świecie (Calais i Minster 1998 ; Astafyeva 2019 ; Afraimovich i in. 2001 , 2013 ; Artru i in. in. 2005 ; Azeem i in. 2017 ; 2019 r .). Podwodny wulkan Hunga Tonga – Hunga Ha’apai (20,53° S 175,38° W UT+13) wybuchł 5 razy w okresie odpowiadającym 15 stycznia 2022 r. od 04:05 UT i 04:54 UT (Astafyeva et al. 2022 ). Do głównej eksplozji doszło o godzinie 04:18 czasu uniwersalnego, uwalniając ilość energii równą zakresowi od 9 do 37 megaton trotylu i powodując rozprzestrzenianie się fal mechanicznych spod powierzchni oceanu do jonosfery (Adam 2022 ; Wright i in. 2022 ), gdzie część energii przemieszczała się przez ocean, a część przez atmosferę. Ogromna ilość uwolnionej energii wytworzyła fale tsunami, fale grawitacyjne, fale akustyczne, fale infradźwiękowe i fale Rossby’ego, które wygenerowały zmiany geofizyczne w atmosferze Ziemi (Amores i in. al. 2022 ). Spośród nich wszystkich spodziewano się, że fale akustyczne i fale Lamba będą się rozprzestrzeniać na duże odległości (Nishida i in. 2014 ). Zaburzenia ciśnienia atmosferycznego przemieszczały się w formie fal Lamba i otaczały Ziemię kilkakrotnie. Wybuch wulkanu może wywołać skutki w dolnej atmosferze (zmienne ciśnienie atmosferyczne), w mezosferze i dolnej termosferze (modyfikując neutralne wiatry), a także w jonosferze (zakłócając poziomą składową pola magnetycznego – H, pionową dryfty plazmy, równikowy strumień elektrostrumieniowy — EEJ i wirtualna wysokość jonogramów) (Poblet i in. 2023 ; Stober i in. 2023 ; Schnepf i in. 2022 ; Le i in. 2022 ; Sun i in. 2022 ; Li i in. i in. 2023 ; Harding i in. 2022 ; Qiu i in. 2023 ).
Kilka badań skupiło swoje wysiłki na charakterystyce cech fal atmosferycznych związanych ze zdarzeniem Tonga. Obserwacje z danych GNSS zostały wykorzystane do analizy prędkości fazowej, okresu i częstotliwości wędrujących zaburzeń jonosferycznych (TID), które wystąpiły po erupcji i były związane z propagacją fali Lamb (Themens i in. 2022 ; Zhang i in. 2022 ; Takahashi i in. 2023 ; Heki 2022 ). Zhang i in. ( 2022 ) zaobserwowali zaburzenia jonosferyczne podróżujące trzy razy wokół globu, wykorzystując pomiary światowych odbiorników naziemnych GNSS. Wykryto wędrujące zaburzenia jonosferyczne (TID) rozprzestrzeniające się z prędkością około 300–350 m/s i przy długościach fal poziomych 500–1000 km dla wstrząsów czołowych. Themens i in. ( 2022 ) użyli globalnie rozproszonych odbiorników GNSS do śledzenia propagacji wędrujących zaburzeń jonosferycznych (TID) po erupcji 15 stycznia 2022 r. Zidentyfikowali dwa główne wysoce kierunkowe wędrujące zaburzenia jonosferyczne na dużą skalę (LSTID) o prędkościach około 555–950 m/s w promieniu 3000 km od epicentrum oraz wędrujące zaburzenia na średnią skalę (MSTID) o prędkościach około 200–400 m/s. Takahashi i in. ( 2023 ) zgłosili fale ciśnienia atmosferycznego nad Ameryką Południową między 12:30 a 17:30 UT, tsunami wzdłuż wybrzeża Chile między 17:00 a 19:00 UT oraz zaburzenia jonosferyczne (warianty TEC) między 11:30 a 20:00 UT propagujące się z Chile do wschodniego sektora Ameryki Południowej. Heki ( 2022 ) zaobserwował zaburzenia jonosferyczne nad Japonią rozprzestrzeniające się z taką samą prędkością, jak atmosferyczna fala Lamb, co sugeruje, że źródłem tych zaburzeń w jonosferycznym TEC jest wyciek energii w górę z troposfery (Francis 1973 ; Nishida i in. 2014 ).
Raporty o zaburzeniach w regionie MLT wykazały również sygnatury przypisywane wybuchowi wulkanu. Wykorzystując trzy multistatyczne radary meteorowe rozmieszczone w odległości ponad 3000 km od siebie, wykryto poziome zaburzenia wiatru MLT nad zachodnią stroną Ameryki Południowej (Poblet i in. 2023 ). Znana fala została zidentyfikowana około 18 UT, o amplitudzie ~ 50 m/s, głównie w kierunku zachodnim, poruszająca się z prędkością ~ 200 m/s, z okresem ~ 2 h i długością fali poziomej ~ 1440 km w kierunku podłużnym, z dala od źródła. Obserwacje z multistatycznych sieci radarowych meteorowych w zachodnich sektorach Ameryki Południowej i północnej Europy zostały wykorzystane do zidentyfikowania fal grawitacyjnych w wiatrach MLT wywołanych przez wulkan (Stober i in. 2023 ). Fale grawitacyjne przemieszczające się w kierunku wschodnim i zachodnim, w wiatrach strefowych i południkowych, pojawiły się 12 i 48 godzin po wybuchu w zachodnim regionie Ameryki Południowej, a ich szacowana prędkość fazy wewnętrznej wynosiła około 200–212 m/s.
Inne badania wykorzystywały dane satelitarne z Ionospheric Connection Explorer (ICON) (Immel i in. 2018 ) i SWARM (Friis-Christensen i in. 2006 ; Wood i in. 2022 ) wspierane przez naziemne magnetometry w celu dalszego zbadania skutków zaburzeń w dolnych warstwach jonosfery (Harding i in. 2022 ). Ich analiza pomiarów EEJ i wiatrów neutralnych wykazała, że zachodni elektrostrumień był napędzany przez silne zachodnie wiatry w regionie Pedersena spowodowane erupcją. Le i in. ( 2022 ) zaobserwowali silny przeciwny elektrostrumień (CEJ) po wzmocnionym EEJ związanym z wydarzeniem wulkanicznym, wykorzystując satelity SWARM i naziemne magnetometry w sektorze Ameryki Południowej. Zaproponowali, że CEJ wiąże się z silnym wschodnim skrętem wiatrów strefowych w jonosferze regionu E, a nasilenie EEJ wiąże się ze wzmożonymi zachodnimi wiatrami strefowymi regionu E.
Ponadto ostatnio zgłoszono sprzężone efekty związane z erupcją wulkanu. Lin i in. ( 2022 ) użyli pomiaru GNSS-TEC, aby zauważyć pojawienie się koncentrycznych TID na półkuli południowej (Australia) i północnej (Japonia) niemal jednocześnie poprzez sprzężenie międzypółkulowe, 3 godziny przed przybyciem fal ciśnienia powietrza powierzchniowego (fala Lamb) do Japonii. Shinbori i in. ( 2022 ) zaobserwowali sprzężenie elektromagnetyczne zaburzeń jonosferycznych zarówno na półkuli północnej, jak i południowej, wykorzystując pomiary pary radarów GNSS-TEC i SuperDARN Hokkaido wkrótce po erupcji wulkanu. Odkryli, że TID, mierzone jako zaburzenia TEC nad Japonią i Australią, pojawiły się nad Japonią przed przybyciem zaburzeń ciśnienia powietrza związanych z wydarzeniem wulkanicznym. Amplituda i okres zmian przepływu plazmy zbieżne z TID wynosiły odpowiednio około 100–110 m/s i 36–38 min. Gasque i in. ( 2022 ) przedstawili dowody na jonosferyczne efekty elektrodynamiczne wywołane przez wybuch wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai w sektorze Pacyfiku. Zgłosili ekstremalny strefowy i pionowy dryf jonów E × B zmierzony przez miernik prędkości jonów ICON w ciągu godziny od głównej erupcji (04:51–04:56 UT). Zaburzenia prędkości dryfu wykryto, gdy satelita przelatywał przez region oddalony o 4000 km od erupcji, który jest magnetycznie połączony z regionem E znajdującym się około 400 km od wulkanu. Badania te wykazały dowody na zaburzenia pola elektrycznego dynama regionu E napędzane przez zaburzenia neutralnego wiatru spowodowane erupcją wulkanu i mapowanie pól elektrycznych od półkuli południowej do północnej w sektorze Pacyfiku. Jednak w poprzednich badaniach nie zaobserwowano żadnych zaburzeń pól elektrycznych ani dryfów plazmy spowodowanych erupcją w regionie zachodniej Ameryki Południowej i nie porównano ich z zaburzeniami wykrytymi w innych parametrach jonosferycznych.
W tej pracy opisano i przedstawiono w sekwencji czasowej efekty wywołane przez erupcję wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai (dalej Tonga) w sektorze peruwiańskim (ciśnienie atmosferyczne, pole magnetyczne, równikowy strumień elektrostrumieniowy, dryfty plazmy, neutralne wiatry MLT i całkowita zawartość elektronów). Po raz pierwszy radar Jicamarca Radio Observatory wykrył wpływ erupcji wulkanu na równikową elektrodynamikę jonosferyczną nad Peru. W artykule opisano różnorodne efekty wywołane w atmosferze peruwiańskiej, obserwowane przez kilka typów instrumentów tego samego dnia i dzień po erupcji wulkanu. Struktura artykułu jest zorganizowana w następujący sposób: w sekcji „ Pomiary ” opisano pomiary i obserwacje przeprowadzone przez wszystkie instrumenty biorące udział w tym badaniu. W sekcji „ Analiza zmian czasowych ” obserwacje są uporządkowane w sekwencji czasowej, aby pokazać efekty wykryte w instrumentacji, ich czas trwania i jego związek z innymi pomiarami, jeśli takie istnieją. Następnie perturbacje zaobserwowane w pomiarach przypisywane efektowi erupcji są interpretowane i omawiane. Na koniec przedstawiono podsumowanie i wnioski.
Pomiary
Reakcja jonosfery na wybuch wulkanu Tonga nad sektorem peruwiańskim spowodowała zaburzenia sygnałów i pomiarów przeprowadzanych za pomocą różnych instrumentów. Instrumenty obejmowały magnetometry, system radarowy VHF do ukośnych obserwacji EEJ, główny radar Jicamarca Radio Observatory (JRO) (11,95° S, 76,87° W, 540,55 m), multistatyczny lustrzany system radarowy meteorów, system jonosondy, odbiorniki GPS i czujniki ciśnienia atmosferycznego. Analiza skupiła się głównie na obserwacjach z 15 stycznia 2022 r.; jednak uwzględniono dodatkowe dni pomiarów w celu porównania nietypowego zachowania parametrów atmosferycznych spowodowanych erupcją z ich typowym zachowaniem. Położenie geograficzne Jicamarca Radio Observatory i sektora peruwiańskiego względem epicentrum erupcji podano na rys. 1a , odległość między tymi lokalizacjami wynosi około 10 410 km. Wieloinstrumentalne i jednoczesne pomiary przeprowadzone w pobliżu 76° długości geograficznej zachodniej na różnych wysokościach pozwalają nam opisać zjawiska w głębszy i bardziej kompleksowy sposób. Lokalizacja instrumentów użytych w tym badaniu jest przedstawiona na rys. 1 b.
a Lokalizacja Jicamarca Radio Observatory, Lima, Peru, względem wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai. Odległość od erupcji do Jicamarca wynosi około 10 410 km. b Lokalizacja stacji naziemnych (magnetometrów, odbiorników GPS, radarów, jonosond i barometrów) używanych do analizy efektów wulkanicznych w zachodnim sektorze Ameryki Południowej
Ciśnienie atmosferyczne
Wykorzystaliśmy pomiary ciśnienia atmosferycznego ze stacji meteorologicznych (barometrów) zlokalizowanych w Jicamarca Radio Observatory (11,95° S, 76,87° W), University of Piura (5° S, 80° W) i Huancayo Observatory (12,04° S, 75,32° W). Ich odpowiadająca rozdzielczość czasowa wynosi odpowiednio 5, 10 i 2 minuty. Aby wyizolować efekty propagacji fal mechanicznych wytworzonych przez erupcję, anomalię ciśnienia atmosferycznego (APA) obliczono, uśredniając pomiary dni bez zakłóceń i odejmując je od dziennych pomiarów z 15–16 stycznia.
Przybycie dwóch frontów fal o dużej magnitudzie zaobserwowano 15 stycznia, jak pokazano na zielonej krzywej na rys. 2 (szczyt o 13:50 UT, rozpoczynający się o 13:40 UT) oraz 16 stycznia (07:05 UT, rozpoczynający się o 06:55 UT), około 25 h 45 m po wybuchu (czerwona krzywa). Pierwszy front fali odpowiadałby rozprzestrzenianiu się zaburzeń z Tonga do jego antypodalnego punktu (Północna Afryka) w kierunku zachód-wschód, podczas gdy drugi odpowiadałby falom przemieszczającym się w przeciwnym kierunku, ze wschodu na zachód. Dwa dodatkowe dni (14 i 17) danych z Jicamarca przedstawiono na rys. 2 , w celu porównania zaburzonych pomiarów z tymi odpowiadającymi dniowi przed i dwa dni po wybuchu, kiedy nie zaobserwowano żadnych zaburzeń.
Anomalia ciśnienia atmosferycznego w obserwatorium radiowym Jicamarca w dniach 14, 15, 16 i 17 stycznia 2022 r. Pionowa ciągła zielona linia odpowiada czasowi erupcji (15 stycznia 04:10 UT), natomiast zielone linie przerywane wskazują przedział czasu, w którym wykryto pierwszy front fali 15 stycznia (13:40 do 16:45 UT), a czerwone linie przerywane odpowiadają przybyciu drugiego frontu fali 16 stycznia (05:55 do 09:15 UT).
Obraz w pełnym rozmiarze
15 stycznia stacje Piura, Jicamarca i Huancayo wykryły szczyt anomalii ciśnienia odpowiednio o 13:40, 13:50 i 14:00 UT, jak pokazano na rys. 3. Kolejność wykrywania jest zgodna z odległościami od Tonga do każdej stacji, przy czym Piura jest najbliższa w kierunku zachód-wschód. Fala, która przeszła przez antypodę (ze wschodu na zachód) dotarła do sektora peruwiańskiego 16 stycznia około 07:00 UT, jak pokazano na rys. 4 .
Anomalia ciśnienia atmosferycznego 15 stycznia nad Piura, Jicamarca i Huancayo. Czerwona linia przerywana odpowiada czasowi przybycia pierwszego pociągu fal do Piura, o 13:40 UT, podczas gdy czarna i zielona linia przerywana oznaczają czas przybycia do Jicamarca, o 13:50 UT, i Huancayo, o 14:00 UT, odpowiednio.
Anomalia ciśnienia atmosferycznego w Piura, Jicamarca i Huancayo 16 stycznia 2022 r. Zielona linia przerywana przedstawia czas przybycia drugiego ciągu fal do Huancayo (zielona krzywa) i Piura (czerwona krzywa), oba mają swój szczyt o 06:55 UT, natomiast czarna linia przerywana wskazuje czas przybycia do Jicamarca (czarna krzywa), ze szczytem o 07:05 UT
Obraz w pełnym rozmiarze
Ważne jest, aby zauważyć, że fale tsunami zostały wykryte po przybyciu anomalii ciśnienia atmosferycznego na południowoamerykańskie wybrzeże Pacyfiku (Carvajal i in. 2022 ; Takahashi i in. 2023 ; Ravanelli i in. 2023 ). Przybycie wiodących fal tsunami na wybrzeże peruwiańskie zaobserwowano około 14:30 UT i 15:30 UT odpowiednio dla Matarani (17,0009° S, 72,1088° W) i Callao (12,096° S, 77,1668° W) (rysunek S1 w informacjach uzupełniających). Po wiodących falach wystąpiły większe amplitudy tsunami z odpowiednimi czasami początkowymi około 19:00 UT. Zestawy danych dotyczących poziomu morza w oceanie są dostępne w systemie obserwacji poziomu morza UNESCO/Międzyrządowej Komisji Oceanicznej (IOC).
Magnetometry
Cyfrowe magnetometry z Low-Latitude Ionospheric Sensor Network (LISN) (Valladares i Chau 2012 ), oparte na czujnikach fluxgate trzech składowych (XYZ), zmierzyły zmiany wektora pola geomagnetycznego w dniach wokół erupcji wulkanu ( http://lisn.igp.gob.pe/jdata/database/ ). Przeprowadzono porównanie składowej poziomej pola magnetycznego (H) w różnych kolejnych dniach około 15 stycznia. Jako odniesienie użyliśmy wartości H o godzinie 05:00 UT 13 stycznia, biorąc pod uwagę czas przed rozpoczęciem burzy, i odjęliśmy składową H dla każdego dnia (dH). Miesięczną średnią zmianę H dla stycznia 2022 r. oszacowano, biorąc 1-godzinne interwały danych w pięciu najcichszych dniach miesiąca w celu wykonania obliczeń średniej i odchylenia standardowego. Wartość H o godzinie 05:00 UT dnia 13 stycznia przyjęto jako wartość odniesienia i odjęto od niej składnik H dla każdego dnia (dH).
Nietypowe zachowanie H w dniach 14 i 15 jest obserwowane w porównaniu do dni niezakłóconych, takich jak 13, 16 i 17, oraz średniej miesięcznej stycznia, jak pokazano na rys. 5. Burza geomagnetyczna klasy G1 i G2 rozpoczęła się 14 stycznia, zakłócając zmierzone wartości H pod koniec dnia. W momencie wybuchu Tonga, 15 stycznia, burza weszła w fazę odzyskiwania, która jest ostatnim etapem burzy geomagnetycznej, gdy indeks Dst wzrasta od wartości minimalnej do wartości czasu spokoju i może trwać od 8 godz. do 7 dni (Gonzalez i in. 1994 ). W czasie przybycia fali akustycznej do Peru zauważalny jest silny spadek składowej H (między 12:00 a 16:00 UT). Jest to prawdopodobnie spowodowane zmianami natężenia i kierunku prądu jonosferycznego, głównie zmianami EEJ, które generalnie przyczyniają się do zmienności pola magnetycznego w ciągu dnia. Pochodzenie zaburzeń obserwowanych w EEJ zostało odrzucone jako spowodowane burzą geomagnetyczną przez Harding et al. ( 2022 ); stąd zaburzenia widoczne w H nie są związane z burzą. Początkowy czas tego zaburzenia został wykryty 1,6 godziny przed pomiarem zaburzeń przez barometr (ciśnienie atmosferyczne).
Zmiany dobowe H zostały zmierzone przez kilka stacji magnetometrycznych w Piura, Jicamarca, Huancayo, Nazca i Arequipa 15 stycznia 2022 r., jak pokazano na rys. 6. Podobny wzór zaburzeń pojawia się jednocześnie na wszystkich stacjach magnetycznych, ale z różnymi amplitudami. Największe amplitudy zaobserwowano na stacjach w pobliżu równika magnetycznego (Jicamarca i Huancayo).
Równikowy strumień elektryczny
Różnica H między stacjami Jicamarca i Piura ( ) daje nam udział prądu EEJ (propagacja w kierunku wschodnim) w H w naszej stacji równikowej w Jicamarca (wartości dodatnie) (Anderson i in. 2004 ). Ponadto, 50-MHz radar VHF zlokalizowany w Jicamarca jest używany do obserwacji regionu EEJ. Układ anten tego radaru składa się z 16 anten Yagi i jest skierowany ukośnie do 53° w kierunku zachodnim. Radar jest używany do szacowania parametrów EEJ, takich jak przesunięcie Dopplera i szerokość widmowa dla ech typu I i II (Farley 1985 ). Co minutę widmo jest dopasowywane do podwójnego modelu Gaussa w każdym zakresie. Następnie konstruowane są wykresy intensywności zasięg-czas (RTI) w celu wizualizacji SNR, kierunku i intensywności przesunięcia Dopplera ech typu I.ΔHJRO-Piura
Intensywność prądu EEJ jest reprezentowana przez , jak pokazano na rys. 7 (zielona krzywa). Z drugiej strony, prądy przeciwprądowe (CEEJ), rozprzestrzeniające się w kierunku zachodnim, generują ujemne wartości , co miało miejsce po wybuchu Tonga. Zilustrowano również stosunek sygnału do szumu EEJ uzyskanego z ech radarowych. O 12:46 UT wykryto echo CEEJ, ten typ echa utrzymywał się do 13:24 UT i jest związany ze zmianą znaku . Później, dwa 5-minutowe echa CEEJ zostały wykryte odpowiednio w pobliżu 14:08 UT i 14:14 UT. Obserwacje te potwierdzają nagły rozpad po rozpoczęciu jego regeneracji po pierwszym pojawieniu się CEEJ.ΔHJRO-PiuraΔHJRO-PiuraΔHJRO-PiuraΔHJRO-Piura
Stosunek sygnału do szumu ech EEJ (panel górny) i przesunięcie Dopplera (panel dolny) ech EEJ typu I w porównaniu z różnicą składowej poziomej pola magnetycznego H między stacjami Jicamarca i Piura ( ) 15 stycznia 2022 r.ΔHJRO-Piura
Obraz w pełnym rozmiarze
Wartości przesunięcia Dopplera ech typu I EEJ przedstawiono na rys. 7 (dolny panel), gdzie kolor czerwony oznacza propagację prądu EEJ w kierunku zachodnim, a kolor niebieski wskazuje propagację w kierunku wschodnim. Można zauważyć, że propagacja w kierunku zachodnim odnosi się do ujemnych , a propagacja w kierunku wschodnim odnosi się do dodatnich . Ponadto ujemne przesunięcia Dopplera zmieniają się znacznie w ciągu dnia, ale różnią się nieznacznie pod względem zakresu w każdym znaczniku czasu.ΔHJRO-PiuraΔHJRO-Piura
Echa dryfują w promieniu 150 km
Spójne pomiary radarowe rozpraszania wstecznego prędkości Dopplera tak zwanych 150-kilometrowych ech mogą dostarczyć przybliżonych szacunków pionowego i strefowego dryfu plazmy jonosferycznej w godzinach dziennych (Kudeki i Fawcett 1993 ; Chau i Woodman 2004 ). Uśrednione wysokościowo pionowe i strefowe dryfy uzyskano z 150-kilometrowych ech radarowych nad Jicamarca. Pomiary odpowiadające dniowi erupcji porównano ze zbiorem danych składającym się z pomiarów z listopada 2021 r., grudnia 2021 r., stycznia 2022 r. (z wyjątkiem dnia erupcji) i lutego 2022 r. Uśrednione pod względem wysokości pionowe i strefowe dryfty odpowiadające dniowi erupcji wykazały istotne odchylenie od średniej i 5–95 percentyla od zbioru danych obejmującego pomiary z listopada 2021 r., grudnia 2021 r., stycznia 2022 r. i lutego 2022 r., jak pokazano na rys. 8. Nietypowe dzienne dryfty w dół o wartości około -20 m/s obserwowano między 12:00 a 16:00 UT, po czym nastąpił wzmocniony dryft w górę o wartości około 20 m/s między 16:00 a 18:00 UT. Wielkości tych dryftów w górę były większe niż wartości średnie dla tego lokalnego przedziału czasowego. Między 19:00 a 21:00 UT zaobserwowano niewielką zmianę pionowego dryfu (z góry na dół). Nietypowe dzienne dryfty plazmy strefowej w kierunku wschodnim zostały wyróżnione w ciągu dnia, kiedy zwykle oczekuje się dryftów w kierunku zachodnim.

150-kilometrowe echa uśrednione pod względem wysokości pionowe (góra) i strefowe (dół) dryfty uzyskane 15 stycznia 2022 r. w porównaniu do 5% percentyla, 95% percentyla i średniej. Pionowe słupki przedstawiają odchylenie standardowe pomiarów dla każdego 10-minutowego interwału
Obraz w pełnym rozmiarze
Sygnatury obserwowane w H i pionowych dryfach ech 150-kilometrowych są ze sobą spójne w czasie, jak pokazano na rys. 9 .
Całkowita zawartość elektronów (TEC)
Pomiary TEC ze stacji odbiorczych GPS w pobliżu zachodniego sektora Ameryki Południowej zostały zebrane z sieci LISN i IGS. Tabela 1 podsumowuje informacje odpowiadające stacjom zaangażowanym w tę pracę.
Aby wyizolować zaburzenia spowodowane erupcją wulkanu, do wartości TEC dla każdej stacji zastosowano filtr dolnoprzepustowy Butterwortha 5. rzędu, a wynik ten odjęto od bezwzględnego TEC, aby uzyskać zaburzenia jako funkcję czasu. Do tego wyniku zastosowano filtr Savitzky’ego–Golaya, aby uzyskać końcowe (Savitzky i Golay 1964 ; Zhang i in. 2022 ).δTECδTEC
15 stycznia odbiorniki GPS na różnych szerokościach geograficznych w regionie zachodniej Ameryki Południowej w pobliżu sektora peruwiańskiego zaobserwowały wahania w zmianach TEC po godzinie 12:00 UT, jak pokazano na rys. 10. Panele są uporządkowane od góry do dołu od stacji najbliższej do najdalszej względem Tonga. Odległość w kilometrach jest podana obok lokalizacji każdej stacji. Pionowa niebieska linia w pobliżu godziny 04:18 UT przedstawia czas wybuchu wulkanu. Druga niebieska linia w pobliżu godziny 13:40 UT przedstawia początek wahań TEC związanych z erupcją. Na pierwszym panelu, odpowiadającym stacji Santiago, pierwsza fala zaburzeń TEC rozpoczęła się w pobliżu godziny 12:00–14:00 UT. Stacje bliższe erupcji wykryły zaburzenia jako pierwsze. Czas propagacji fali od momentu wystąpienia erupcji wynosi około 9 godzin. Drugi ciąg fal, który jest bardziej widoczny na stacjach Santiago, Iquique, Arequipa i Tacna, rozpoczął się około 18:00 UT. Zaburzenia te utrzymywały się do 24:00 UT, jednak podobne zachowanie zaobserwowano między 22:00 a 24:00 UT w poprzednich i następnych dniach (13, 14, 16 i 17 stycznia), stąd mogą nie być związane z erupcją wulkanu. W fluktuacjach TEC stwierdzono quasi-okresowe oscylacje o okresowości od około 15 do 40 minut, co stanowi sygnatury możliwych wędrujących zaburzeń jonosferycznych.
Zmiana TEC na różnych szerokościach geograficznych w zachodnim sektorze Ameryki Południowej 15 stycznia 2022 r. Wartość podana obok nazwy stacji oznacza odległość od epicentrum erupcji do każdej stacji. Pierwsza niebieska pionowa linia oznacza godzinę erupcji wulkanu Tonga. Druga niebieska linia oznacza przybliżony czas przybycia zaburzenia do stacji Jicamarca, biorąc pod uwagę, że fala rozchodzi się z prędkością bliską prędkości dźwięku. Linia przerywana pokazuje przybliżony czas przybycia zaburzenia do każdej stacji. Różne kolory w dTEC oznaczają sygnały odpowiadające różnym satelitom GPS
Jonosond
Jonosondę radaru pulsacyjnego jonosferycznego o pionowym padaniu (VIPIR), zlokalizowaną w JRO, stanowi w pełni cyfrowy radar o zmiennej częstotliwości, który bada jonosferę pionowo za pomocą sygnałów o częstotliwościach od 0,3 do 25 MHz (Valladares i Chau 2012 ). Zapewnia on bardzo precyzyjne pomiary krytycznej częstotliwości jonosferycznej (foF2), wysokości maksymalnej gęstości elektronowej F2 (hmF2), wysokości wirtualnych (h’F) i profili gęstości elektronowej.
Według Pradipta i in. ( 2015 ) silne zaburzenie mechaniczne w atmosferze, takie jak eksplozja jądrowa, tsunami, wybuch meteorytu, trzęsienie ziemi lub erupcja wulkanu, może powodować powstawanie sygnatury rozwidlającej się w kształcie litery Y na jonogramach. Jonogramy poddano wizualnej inspekcji w celu wykrycia nietypowego zachowania jonosfery związanego z erupcją Tonga, takiego jak ta sygnatura rozwidlająca się w kształcie litery Y. 15 stycznia 2022 r. sygnatury te zaobserwowano między około 20:13 UT a 22:00 UT za pomocą jonosonda VIPIR nad Jicamarca. Przykład nietypowego wzoru rozwidlającego się w kształcie litery Y pokazano na rys. 11. Ten typ sygnatury jest nietypowy nad Jicamarca, dlatego też tę cechę należy powiązać z pojawieniem się TID rozprzestrzeniających się w jonosferze. Niektóre inne parametry jonosferyczne wykazywały zaburzenia w tym okresie. Około 20:00 UT obserwujemy największe wahania TEC na stacjach GNSS, jak pokazano w poprzedniej sekcji. Z drugiej strony, mniej więcej w tym czasie dryfty plazmy i natężenie prądu EEJ zmniejszyły się do małych wielkości.
Neutralne wiatry w mezosferze i dolnej termosferze (MLT)
Pomiary strefowych i południkowych wiatrów neutralnych w regionie MLT, na wysokości od 80 do 100 km, uzyskano przy użyciu Spread-spectrum Interferometric Meteor Observing Network (SIMONe). Jednym z multistatycznych lustrzanych systemów radarowych do obserwacji meteorów w centralnej części Peru jest SIMONe-Jicamarca (Chau i in. 2021 ). System ten ma jedną 5-antenową stację nadawczą zlokalizowaną w JRO (11,95° S, 76,87° W, 540,55 m) i pięć oddalonych stacji odbiorczych zlokalizowanych w odległości od 30 do 180 km od JRO. Inny system SIMONe z 6-antenowym nadajnikiem i sześcioma pojedynczymi stacjami odbiorczymi, nazwany SIMONe-Piura, działa w północnym Peru, gdzie jego nadajnik znajduje się na Universidad de Piura (UdeP) (5,17° S, 80,64° W, 50,59 m). Otrzymaliśmy 1-godzinne, 2-kilometrowe neutralne wiatry strefowe (u) i południkowe (v) nad Jicamarca w dniu erupcji jako funkcję wysokości i czasu. Obliczono zmienność wiatrów strefowych i południkowych w odniesieniu do średnich wartości 4-godzinnych, aby zidentyfikować zaburzenia wiatrów MLT związane z wydarzeniem Tonga.
Pierwszy rząd rys. 12 pokazuje 1-godzinne, 2-kilometrowe wiatry strefowe (u) i południkowe (v) neutralne nad Jicamarca. Średnie wartości wiatrów dla 4 godzin przedstawiono w drugim rzędzie. Trzeci rząd pokazuje różnicę między pierwszym a drugim rzędem, która pozwala nam wykryć zaburzenia wiatru. Największa zmiana, która może być związana z efektem erupcji wulkanu Tonga, wystąpiła o godzinie 18:00 UT. Moment ten oznaczono cyjanową przerywaną linią pionową. Około tego czasu zaobserwowano zmianę wiatru strefowego ze wschodu na zachód powyżej wysokości 95 km; jednak tę dużą ujemną zmianę można odróżnić od około 80 do 100 km. Podobne cechy zaobserwowano w pomiarach wiatru MLT nad Piurą, jak pokazano na rys. 12 , ale w tym przypadku zmiana wiatru strefowego ze wschodu na zachód jest zauważalna między 90 a 100 km wysokości. Zaburzenie wiatru pokazuje, że negatywna zmiana (zmiana ze wschodu na zachód) jest znacznie wyraźniej dostrzegalna w rozszerzonym zakresie wysokości. W rzeczywistości zmiana rozciąga się na mniej więcej ten sam zakres wysokości w obu lokalizacjach od 80 do 100 km. Poza tym w tym rzędzie efekt oczekiwanych fal na dużą skalę, takich jak pływy i fale planetarne, jest usuwany przez średnią 4-godzinną. Tak więc mamy większe szanse, że obserwowana nagła zmiana ze wschodu na zachód jest rzeczywiście związana ze zdarzeniem w Tonga. Z drugiej strony zaburzenia MLT nad Peru spowodowane możliwymi falami na zachód z antypodu 16 stycznia nie zostały zidentyfikowane.
Podsumowanie pomiarów i użytych instrumentów przedstawiono w tabeli 2 .
Analiza zmian czasowych
Znaleźliśmy zaburzenia związane z wybuchem wulkanu Tonga, który miał miejsce 15 stycznia 2022 r. w kilku parametrach fizycznych w różnych warstwach atmosfery i w różnych porach, od poziomu powierzchni morza przechodzącego przez dolną termosferę mezosfery (MLT) do jonosferycznych regionów E i F w zachodnim sektorze Ameryki Południowej. Zaburzenia zaobserwowano w przedziale czasowym od 8 do 19 godzin po wybuchu wulkanu dla parametrów jonosferycznych i MLT. Przybycie anomalii ciśnienia atmosferycznego na poziomie gruntu wykryto 9,4 godziny po głównej eksplozji dla pierwszego frontu fali rozprzestrzeniającego się w kierunku zachód-wschód. Dla porównania, druga fala z antypodu w kierunku wschód-zachód przybyła 26,6 godziny po erupcji. Erupcja wulkanu Tonga wtłoczyła do atmosfery duże ilości gazów, pary wodnej i popiołu, a także wytworzyła duże zaburzenia ciśnienia wyzwalające fale atmosferyczne, które rozprzestrzeniały się z troposfery do jonosfery. Potężne erupcje wulkaniczne mogą wywołać poważne zaburzenia, które mogą dotrzeć do górnych warstw atmosfery i wytworzyć okresowe fale zarówno w cząsteczkach neutralnych, jak i naładowanych. Gdy fale wędrują w górę do cieńszych warstw atmosfery, zaczynają się poruszać z większą prędkością (Lognonné i in. 2006 ). W związku z tym obserwujemy, że nad zachodnim sektorem Ameryki Południowej początkowy czas ( 12:00–12:30 UT) większości zaburzeń jonosferycznych w polu magnetycznym, EEJ, dryfów plazmy, TEC, przypisywanych erupcji wulkanicznej występuje przed początkowym zaburzeniem ciśnienia atmosferycznego ( 13:50 UT), z wyjątkiem sygnatury rozwidlenia Y na jonogramach, neutralnej zmiany wiatru MLT i drugiego ciągu fal wykrytego w GNSS dTEC. Reprezentację propagacji fal i dotkniętych parametrów pokazano na rys. 13 . Przybliżony czas początkowy i końcowy wykrycia tych zakłóceń przedstawiono w tabeli 3 .∼∼
Propagacja fali Lamb
Wybuchowe zdarzenie wulkaniczne wytworzyło szerokie spektrum fal, w tym fale Lamb (Amores i in. 2022 ). Fala Hunga Tonga Lamb rozeszła się po całym globie z prędkością fazy powierzchniowej około 318 m/s i przeszła przez punkt antypodalny w Algierii 18,1 godziny po erupcji (Wright i in. 2022 ). Nasze pomiary wykazały, że anomalia ciśnienia pierwszego czoła fali, 15 stycznia 2022 r., została wykryta sekwencyjnie przez stacje Piura, Jicamarca i Huancayo z szacowaną prędkością fazy 301,32 ± 1,5 m/s, co jest zgodne z ich odległościami od epicentrum erupcji i jest związane z propagacją fali Lamb. Ta ocena prędkości jest w dobrej zgodności z tą obliczoną przez Takahashi i in. ( 2023 ) przy użyciu stacji w Chile i Brazylii (304 ± 5,6 m/s). Jednak nasza ocena jest nieco mniejsza niż prędkość obliczona przez Wrighta i in. ( 2022 ), 318 m/s. Różnica ta mogła wynikać z wykorzystania pomiarów światowych w badaniu przeprowadzonym przez Wrighta i in. ( 2022 ) oraz zmiennych warunków lokalnych, takich jak wiatry. Następnego dnia anomalia ciśnienia czoła fali przemieszczającej się z punktu antypodalnego została wykryta najpierw przez stacje Huancayo i Piura, a następnie przez stację w Jicamarca; jednak oczekiwano, że fluktuacja ciśnienia zostanie wykryta w Jicamarca przed Piurą. Ta nieoczekiwana sekwencja czasu przybycia była prawdopodobnie spowodowana deformacją czoła fali podczas propagacji fal z powodu procesów atmosferycznych i powierzchniowych, które obejmowały interakcję z orografią (Wright i in. 2022 ).
Fale tsunami
Carvajal i in. ( 2022 ) odkryli, że fale tsunami wokół wybrzeża Pacyfiku różniły się od fal w innych częściach świata po erupcji. To tsunami charakteryzowało się małymi (wiodącymi) falami przybywającymi wcześniej niż znacznie większe. Fale wiodące przybyły wcześniej niż teoretycznie przewidywano i oczekiwano w przypadku fali tsunami swobodnie rozprzestrzeniającej się od wulkanu. Zasugerowali, że fale wiodące były spowodowane przez szybko poruszającą się falę ciśnienia atmosferycznego o szacowanej prędkości około 307 m/s, co jest falą Lamb. Kubota i in. ( 2022 ) szczegółowo opisali, w jaki sposób fala Lamb przyczyniła się do wcześniejszego niż oczekiwano nadejścia fal tsunami za pomocą symulacji. Z drugiej strony, największe fale prawdopodobnie powstały w pobliżu wulkanu i zbiegły się lub wystąpiły systematycznie po teoretycznym czasie podróży tsunami swobodnie rozprzestrzeniającego się od epicentrum. Wiodące fale tsunami w Matarani i Callao pojawiły się nieznacznie po anomaliach ciśnienia atmosferycznego, około 14:30–15:30 UT. Czasy te są zgodne z pomiarami z innych badań, które wykryły fale tsunami na wybrzeżu Pacyfiku w Ameryce Południowej tego samego dnia (Carvajal i in. 2022 ; Takahashi i in. 2023 ; Hu i in. 2023 ; Ravanelli i in. 2023 ). Po falach wiodących większe amplitudy tsunami dotarły do wybrzeża Peru około 19:00 UT. Czas ten jest zgodny z teoretycznym czasem podróży swobodnej fali tsunami o średniej prędkości 198 m/s oszacowanym przez Carvajal i in. ( 2022 ).
Zaburzenia MLT
Oczekiwano, że powierzchnia Lamba rozchodząca się z prędkością ~300–318 m/s dotrze około 13–14 UT na zachodnią stronę kontynentu Ameryki Południowej. W celu znalezienia sygnatur tej fali w momencie dotarcia do regionu MLT przy użyciu danych z radaru meteorowego, wypróbowaliśmy kilka okien uśredniania wynoszących 5, 15 i 30 minut, kosztem utraty rozdzielczości wysokości. Nie znaleźliśmy żadnych oznak takiej fali. Z drugiej strony, wyraźne zaburzenie przy ~18 UT w obu systemach w Jicamarca i Piura można interpretować jako mod fali Lamb L1 (Francis 1973 ). Prędkość fazowa tego modu jest wolniejsza niż 300–318 m/s, a zaburzenie zostało szczegółowo opisane przez Poblet i in. ( 2023 ). Znaleźli poziome zaburzenia wiatru MLT z poziomą prędkością fazową, okresem i długością fali około 200 m/s, 2 h i 1440 km, co potwierdziliśmy. Mod fali Lamb został również znaleziony przez Liu i in. ( 2023 ) w symulacjach WACCM-X z prędkością fazową około 245 m/s. Jednym z powodów, dla których możemy zobaczyć efekty drugiej fali Lamb ( ) w regionie MLT, a nie efekt pierwszej, może być to, że wyświetla ona swój szczyt energii kinetycznej w mezosferze, a nie na powierzchni Ziemi (Poblet i in. 2023 ; Francis 1973 ). Alternatywnym wyjaśnieniem zaburzeń wiatru MLT w pobliżu 18 LT mogą być fale grawitacyjne generowane przez największe fale tsunami wywołane przez erupcję, która dotarła do wybrzeża Peru w pobliżu tego okresu LT. Te fale grawitacyjne przemieszczają się szybciej niż fale tsunami i mogły dotrzeć do Peru kilka godzin przed nadejściem największych fal tsunami (Poblet i in. 2023 ) i mogły wytworzyć TID, które objawiały się zaburzeniami TEC. Jednak symulacje przeprowadzone przez Vadas i in. ( 2015 ) wykazały, że fale grawitacyjne wywołane tsunami są generowane w kontinuum częstotliwości (różne prędkości propagacji), ale Poblet i in. ( 2023 ) nie znaleźli żadnych wskazówek na tę polichromatyczną naturę zaburzeń neutralnych wiatrów w regionie MLT.L1L1
Zaburzenia jonosferyczne
Poprzednie badania wykryły występowanie fal akustyczno-grawitacyjnych po erupcji (Zhang i in. 2022 ; Wright i in. 2022 ). Fale grawitacyjne wytwarzane przez erupcję mogły zaburzyć zjonizowaną atmosferę, powodując zmiany w neutralnych wiatrach regionu E i F, gęstości elektronów (Negale i in. 2018 ), polach elektrycznych i prędkościach dryfu. Wiadomo, że neutralne cząstki lub wiatry mogą modyfikować prądy elektryczne w jonosferze poprzez sprzężenie jonowo-neutralne i efekty zderzeń neutralnych i naładowanych cząstek, wpływając na dynama regionu E i F (Heelis 2004 ). W tych regionach przewodnictwa Halla i Pedersena odgrywają ważną rolę. W ciągu dnia dominuje dynamo regionu E, a prądy w kierunku prostopadłym do B są proporcjonalne do − ( U × B ) × B i ( U × B ) na wysokościach, na których dominującą przewodnością jest odpowiednio przewodność Halla i Pedersena. Przewodność Halla jest większa niż przewodność Pedersena w regionie E poniżej około 120 km. Dla porównania, przewodność Pedersena jest bardziej znacząca powyżej 120 km niż przewodność Halla. Zaburzenia wiatru spowodowane erupcją wywołały następnie zaburzenia w polach elektrycznych i gęstości plazmy, które mogły zostać odzwierciedlone w dryfach plazmy i zaburzeniach gęstości elektronów lub TID w jonosferze. Po erupcji Swarm i ICON zaobserwowali odpowiednio ekstremalne wahania równikowego strumienia elektrojetu i wiatrów termosferycznych (Harding i in. 2022 ; Le i in. 2022 ; Aa i in. 2022 ). Te ekstremalne wiatry, których magnitudy osiągnęły około 200 m/s, wpłynęły na elektrodynamikę jonosferyczną w regionach E i F. Efekty, które zaobserwowaliśmy w peruwiańskiej jonosferze, zostały wykryte jako zaburzenia w EEJ, dryfty plazmy i TEC. Pomiary wiatru ICON MIGHTI wykazały, że wiatry strefowe i południkowe nie były jednorodne pod względem wysokości i czasu 15 stycznia 2022 r., a nawet miały odwrócony kierunek w niektórych porach i regionach. Dlatego zaburzenia wiatru wywołane przez erupcję spowodowały zaburzenia w układach prądów i generowanie ładunków polaryzacyjnych, które wpłynęły na pola elektryczne jonosfery.
Zmiany dryfu plazmy
Z naszej wiedzy wynika, że jest to pierwszy raz, kiedy naziemne pomiary radarowe dryftów plazmy jonosferycznej i zaburzeń EEJ w zachodnim regionie Ameryki Południowej wywołanych przez wydarzenie Tonga są prezentowane. Co więcej, jest to pierwszy raz, kiedy radar Jicamarca Radio Observatory zmierzył wpływ erupcji wulkanu na równikową elektrodynamikę jonosferyczną nad Peru. Korzystając z obserwacji satelitarnych, ekstremalne dryfty strefowe i pionowe zostały również zgłoszone w sektorze długości geograficznej Pacyfiku, około 4000 km od Tonga, niecałą godzinę po erupcji i przed przybyciem jakiejkolwiek fali atmosferycznej (Gasque i in. 2022 ). Pomiary dryftu miernika prędkości jonów (IVM) ICON dla pierwszej orbity po erupcji 15 stycznia 2022 r. zostały magnetycznie połączone z jonosferycznym regionem E w odległości około 400 km od Tonga. Pozwoliło to na pobranie próbek regionu dynama blisko Tonga w ciągu godziny od głównej erupcji i udowodniło efekt sprzężony. Poprzednie badania badały efekt sprzężony po erupcji i wykazały pojawienie się równoczesnych TID nad Australią (półkula południowa) i odpowiadającym im obszarem sprzężonym magnetycznie nad Japonią (półkula północna) (Shinbori i in. 2022 ; Lin i in. 2022 ). Oprócz TID, Shinbori i in. ( 2022 ) odkryli zaburzenia przepływu plazmy o wartości około 100–110 m/s i oszacowali strefowe pole elektryczne o wartości około 2,8–3,1 mV/m. Obserwacje te sugerują, że rozszerzający się front fali generował silne potencjały elektryczne, które były przesyłane wzdłuż linii pola magnetycznego na półkulę północną.
Zmiany dryfu pionowego
Porównując nasze pomiary pionowego dryfu E × B i poziomej zmienności pola magnetycznego, odkryliśmy wysoką korelację Pearsona wynoszącą około 0,94. Zmiany w dryfie pionowym proporcjonalnie podążają za zmianami pola magnetycznego. Ta cecha jest zgodna z ilościową relacją liniową między dryftem E × B a siłą prądu EEJ (Anderson i in. 2002 , 2004 ). Uzyskaliśmy linię prostą najmniejszych kwadratów, która pasuje do wartości w stosunku do wartości dryfu pionowego E × B , aby określić ich relację, gdy obie są dodatnie, a jest ona podana przez = 3,194 * dryft E × B + 12,091. Liniowa zależność, gdy oba są ujemne, wynosi = 4,265 * dryf E × B − 18,236. Ponadto zależność uwzględniająca wszystkie zestawy danych dodatnie i ujemne jest podana przez = 4,376 * dryf E × B − 6,978. W ciągu dnia spodziewane są pionowe dryfy w górę (pole elektryczne na wschód) i strefowe dryfy w kierunku zachodnim, jak wykazano w kilku badaniach dryfów jonów regionu F (Fejer i in. 2008 , 2013 ; Pacheco i in. 2010 , 2011 ). Jednakże zaobserwowaliśmy kierunki dryfu plazmy, które były przeciwne do oczekiwanych ze względu na efekty wywołane przez wybuch wulkanu. Odwrócenie strefowego pola elektrycznego lokalnie ze wschodu na zachód wygenerowało niezwykły dzienny dryf pionowy E × B w dół obserwowany na podstawie pomiarów radarowych (echa 150 km) pomiędzy 12:00 a 16:00 UT. Pomiędzy 16:00 a 18:00 UT pionowe dryfty w górę wskazywały na obecność wzmocnionego pola elektrycznego w kierunku wschodnim, które generowało większe dryfty pionowe niż średnie wartości dla tego lokalnego przedziału czasowego. Inne mniejsze odwrócenie dryftu pionowego (z góry na dół) i strefowego pola elektrycznego (ze wschodu na zachód) obserwowano pomiędzy 19:00 a 21:00 UT, jak pokazano na rys. 8 i 9 .ΔHJRO-PiuraΔHJRO-PiuraΔHJRO-PiuraΔHJRO-Piura
Oprócz pomiarów wiatru ICON-MIGHTI (Harding i in. 2022 ; Le i in. 2022 ; Aa i in. 2022 ), symulacje przeprowadzone przez Vadas i in. ( 2023a ) wykazały występowanie zaburzeń wiatru na dużą skalę w regionach E i F 15 stycznia 2022 r. Symulowali oni pierwotne i wtórne fale grawitacyjne atmosferyczne wytworzone przez ruch powietrza w górę wygenerowany przez wybuch wulkanu Tonga. Ponadto uzyskali oni zmiany wiatru na dużą skalę powstałe w wyniku rozproszenia wtórnych fal grawitacyjnych. Te pomiary satelitarne i wyniki symulacji, dodane do naszych obserwacji i analiz, sugerują, że zaburzenia wiatru strefowego na dużą skalę z propagacją na wschód/zewnątrz były najprawdopodobniejszym motorem głównych obserwowanych pionowych i strefowych zmian dryfu równikowego w zachodnim sektorze Ameryki Południowej. Między 12:00 a 16:00 UT, duże wzmocnienia wiatrów strefowych w kierunku wschodnim poniżej 120 km (gdzie przewodnictwo Halla jest bardziej dominujące niż przewodnictwo Pedersena) mogą generować rozbieżność prądu strefowego. Następnie mogły powstać pola elektryczne polaryzacyjne, aby uwolnić rozbieżność prądu, powodując odwrócenie pola elektrycznego strefowego lokalnie ze wschodu na zachód. To pole elektryczne w kierunku zachodnim na niskich szerokościach geograficznych z dala od równika mogłoby następnie zostać odwzorowane na odpowiadającą mu wysokość wierzchołka na równiku magnetycznym w regionie Pedersena, powodując dryf E × B w dół . Przeciwny efekt może być spowodowany zaburzeniem wiatru w kierunku zachodnim w regionie Halla między 16:00 a 19:00 UT, generując silne pole elektryczne w kierunku wschodnim i wzmocniony dryf E × B w górę , jak zaobserwowano w naszych pomiarach dryfu jonów. W naszej analizie założyliśmy, że głównymi źródłami zmian dryfu pionowego były strefowe zaburzenia wiatru w regionie Halla, ponieważ fale wytworzone przez erupcję rozprzestrzeniały się niemal strefowo w zachodnim sektorze Ameryki Południowej, a najwyższa przewodność w ciągu dnia pojawia się w regionie Halla. Chociaż wiatry południkowe mogą osiągać znaczne wielkości i napędzać prądy strefowe w regionie Pedersena na szerokościach geograficznych oddalonych od równika magnetycznego, są one niemal równoległe do pola magnetycznego na równiku. Zatem miałyby mniejszy wpływ na generowanie strefowych zaburzeń pola elektrycznego na równiku magnetycznym i niskich szerokościach geograficznych niż wiatry strefowe regionu Halla. Zaburzenia wiatru południkowego na szerokościach geograficznych oddalonych od równika w regionie Halla mogły być bardziej istotne w generowaniu zaburzeń w pionowym polu elektrycznym, które mogłyby mieć bardziej znaczący wpływ na zmiany dryfu strefowego. Ponadto możemy zauważyć, że poziome zaburzenia wiatru były znacznie większe niż pionowe, jak wykazali Vadas i in. ( 2023a)) symulacji. Dlatego też udział pionowych zaburzeń wiatru w generowaniu znaczących zaburzeń strefowych pól elektrycznych nie byłby tak znaczący jak udział strefowych zaburzeń wiatru. Nasze obserwacje są zgodne z ogólnymi charakterystykami wiatru znalezionymi w pomiarach i symulacjach ICON, które wspierają naszą interpretację zmian dryfu jonów.
Zmiany dryfu strefowego
Należy zachować pewną ostrożność w przypadku wyników dryfu strefowego ze względu na niższą dokładność techniki stosowanej do pomiaru wielkości dryfu strefowego w porównaniu z dryftem pionowym. Mogą one jednak dostarczyć przydatnych informacji o ich kierunku (Chau i Woodman 2004 ). Zaobserwowano nietypowe dzienne dryfty plazmy strefowej w kierunku wschodnim, szczególnie w godzinach 12:00–13:00 UT, 16:00–18:00 UT i 20:00–21:00 UT, kiedy spodziewane są dryfty w kierunku zachodnim. Możliwym wyjaśnieniem dryfu w kierunku wschodnim w ciągu dnia jest pojawienie się zwiększonych wiatrów strefowych w kierunku wschodnim ( U ) w regionie Pedersena. W regionach wysokościowych, w których dominuje przewodnictwo Pedersena, wiatry strefowe będą wytwarzać prąd pionowy proporcjonalny do U × B w pobliżu równika. Wzmocnione wiatry wschodnie mogą zwiększać prądy pionowe w górę, generując ładunki polaryzacyjne, które mogą prowadzić do wypadkowego pola elektrycznego skierowanego w dół. Dlatego powstanie dryf E × B w kierunku wschodnim. To niezwykłe zachowanie dryfu strefowego odzwierciedla się w dryfach strefowych w kierunku wschodnim, które obserwujemy w ciągu dnia. Wzmocnione wiatry strefowe w kierunku wschodnim w regionie Pedersena, które mogą potwierdzać nasze wyjaśnienie, zostały zmierzone przez ICON-MIGHTI nad sektorem długości geograficznej Ameryki Północnej (Harding i in. 2022 ; Le i in. 2022 ; Aa i in. 2022 ). Gdy satelita krążył w pobliżu odpowiadających długości geograficznej zachodniego sektora Ameryki Południowej (90° W do 70° W), a odległość od ICON do Tonga była mniej więcej taka sama jak odległość od Tonga do Peru, instrument MIGHTI zmierzył wiatry Pedersena w kierunku wschodnim. Ponadto symulacje przeprowadzone przez Vadas i in. ( 2023a ) pokazało duże zaburzenia wiatru wschodniego nad Peru na wysokości 200 km w pobliżu godziny 12:00 UT i 16:00–18:00 UT, które pokrywają się z czasem zaobserwowanych przez nas zaburzeń dryfu wschodniego w ciągu dnia. Zaburzenia wiatru południkowego na szerokościach geograficznych odległych od równika w regionie Halla mogły przyczynić się do zmian w pionowym polu elektrycznym w pobliżu równika, co mogło dodatkowo powodować zmiany dryfu strefowego i odwrócenie kierunku.
Zaburzenia EEJ
Duże wahania prądu strumienia elektrostatycznego występowały głównie podczas niezwykłego zachowania pionowego dryfu E × B. Ze względu na zanikającą przewodność regionu E w nocy, EEJ reaguje na układy wiatrowe tylko w ciągu dnia. Połączenie migrujących pływów i zmian przewodności powoduje średnią dobową zmienność EEJ (Lühr i Manoj 2013 ). Różnica składowych pola magnetycznego H między Jicamarca i Piura ( ) oraz przesunięcia Dopplera EEJ na radarze wykryły zmiany w intensywności i kierunku EEJ. Pomiary te wykazały, że CEEJ (12:00–16:00 UT) i wzmocniony EEJ (16:00–19:00 UT) pokrywały się odpowiednio z prądem zachodnim i wschodnim. Zaobserwowano, że zaburzenia w składowej strefowej wiatru neutralnego mogą powodować zmiany w elektrostrumieniu (Yamazaki i in. 2014 , 2021 ). Odwrócenie kierunku wiatru strefowego w regionie E lokalnie na peruwiańskiej jonosferze mogło zmienić kierunek elektrostrumienia, powodując przeciwny elektrostrumień. Może to być również związane z odwróceniem pola elektrycznego strefowego lokalnie ze wschodu na zachód. Rozmiar skali zaburzenia CEEJ został oszacowany przez Le i in. ( 2022 ) na rzędu 5000 km, biorąc pod uwagę czas trwania CEEJ wynoszący 3 godziny. Oszacowaliśmy, że rozmiar skali może być większy ( 6400 km), jeśli weźmiemy pod uwagę, że CEEJ trwał 4 godziny i miał prędkość fazową 450 m/s. Prędkość tę można oszacować na podstawie wyników CEEJ opracowanych przez Harding i in. ( 2022 ) z naziemnych magnetometrów Huancayo i Tatuoca (TTB, 1,2° S, 48,5° W), znając opóźnienie minimalnej wartości składowej H ( 2 h) i odległość między stacjami (3190 km).ΔHJRO-Piura∼∼∼∼∼
Istnieją dowody na to, że neutralne zaburzenia wiatru generowane przez erupcję wpłynęły na EEJ. Proponowane wyjaśnienie Hardinga i in. ( 2022 ) sugeruje niezwykłe, duże wiatry Pedersena w kierunku zachodnim, mierzone przez ICON-MIGHTI (Englert i in. 2017 ), jako możliwe źródło CEEJ. Co więcej, Swarm A potwierdził zaobserwowane zaburzenia w EEJ, gdy przekroczył równik magnetyczny około 15:36 UT (sektor peruwiański) 15 stycznia. Podczas tego przelotu zidentyfikowano niezwykle silny EEJ (przeciwny elektroodrzutowiec) w kierunku zachodnim. Z drugiej strony Le i in. ( 2022 ) przypisali obecność silnego wschodniego skrętu wiatru strefowego w regionie E między wysokością 100 a 120 km jako możliwe źródło CEEJ obserwowane w magnetometrach satelitarnych i naziemnych. Proponujemy, że łączny efekt wzmocnionych wiatrów strefowych w regionie Pedersena ( 140 km wysokości) i wiatrów strefowych w regionie Halla ( 100–110 km wysokości) może wytworzyć przeciwny EEJ lub zachodni EEJ po erupcji. W czasie występowania CEEJ ( 14 UT) duże wiatry strefowe w regionie Pedersena i Halla na wschodzie zaobserwowano w pomiarach ICON MIGHTI na wysokości odpowiednio 140 i 110 km (Harding i in. 2022 ; Le i in. 2022 ; Aa i in. 2022 ; Aryal i in. 2023 ). Pomiary wiatru pobrano w mniej więcej tej samej odległości od wulkanu do regionu peruwiańskiego. Podobne duże zaburzenia uzyskano również w symulacjach wiatrów strefowych w pobliżu zachodniego sektora Ameryki Południowej w czasie wystąpienia CEEJ (Vadas i in. 2023a ; Liu i in. 2023 ). Dowody te potwierdzają nasz proponowany mechanizm generowania CEEJ po erupcji. Te cechy wiatru są zgodne z korzystnymi warunkami dla zachodniego EEJ zaobserwowanymi w poprzednich badaniach, a przeciwne kierunki wiatru mogą zwiększać intensywność wschodniego EEJ (Yamazaki i in. 2014 , 2021 ). Chociaż zaburzenia wiatru ICON uwzględnione w naszej analizie nie zostały zmierzone na niskich szerokościach geograficznych, zakładamy, że podobny wzór wiatru został wytworzony w pobliżu sektora peruwiańskiego, biorąc pod uwagę, że odległości od satelity (sektor amerykański) do Tonga były zbliżone do odległości od Peru do miejsca erupcji. Ponadto symulacje wiatrów na niskich szerokościach geograficznych przeprowadzone przez Vadas i in. ( 2023a ) wykazało wzór wiatru bardzo dobrze zgodny z pomiarami wiatru wykonanymi przez satelitę ICON MIGHTI w podobnych odległościach od epicentrum, co potwierdza założenie wzoru wiatru dla naszej interpretacji.∼∼∼
Efekt burzy geomagnetycznej
Erupcja i propagacja fal na Tonga miały miejsce w fazie odzyskiwania umiarkowanej burzy geomagnetycznej, która rozpoczęła się 14 stycznia 2022 r. Zgodnie z poprzednimi badaniami burza geomagnetyczna z 14 stycznia miała minimalny wpływ na EEJ (Le i in. 2022 ; Harding i in. 2022 ). Harding i in. ( 2022 ) przeanalizowali możliwy wpływ przenikających pól elektrycznych i dynama zaburzeń w czasie burzy na zmiany EEJ. Porównali międzyplanetarne pole elektryczne (IEF), pole elektryczne od świtu do zmierzchu, z i stwierdzili bardzo niską korelację Pearsona między 8 a 16 LT. Jednak 1-godzinne fluktuacje w wydają się korelować ze zmianami IEF i przypisali przenikającemu polu elektrycznemu niewielkie źródło zaburzeń w EEJ. Zgodnie z EEJ i sygnaturami wiatru doszli do wniosku, że wpływ ekstremalnych neutralnych wiatrów strefowych jest dominującym czynnikiem powodującym zaburzenia na EEJ. Ponadto charakterystyka wiatrów strefowych różniła się od wiatrów oczekiwanych w wyniku burzy geomagnetycznej. Zatem wiatry zakłócające prawdopodobnie nie są główną przyczyną ekstremalnych wiatrów obserwowanych przez ICON.ΔHΔH
TID-y
Zmiany w obecnych układach spowodowane zaburzeniami wiatru z powodu fal grawitacyjnych atmosfery wytworzonych po erupcji mogły wywołać zmiany w rozkładzie gęstości elektronów odbitych w TID mierzonych przez GNSS-TEC i jonogramy. TID mogą być indukowane przez fale grawitacyjne atmosfery generowane przez tsunami (Peltier i Hines 1976 ; Artru i in. 2005 ), takie jak te wykryte po trzęsieniu ziemi w Tohoku 11 marca 2011 r. (Crowley i in. 2016 ; Azeem i in. 2017 ). Zaburzenia jonosferyczne wywołane przez to tsunami zostały wykryte w obszarze dalekiego pola kilka tysięcy kilometrów od epicentrum za pomocą pomiarów GPS-TEC. Crowley i in. ( 2016 ) zbadali TIDs generowane przez tsunami nad Stanami Zjednoczonymi w unikalnym scenariuszu, w którym tsunami zostało nagle zatrzymane przez zachodnie wybrzeże USA, a źródło fal grawitacyjnych w atmosferze zostało usunięte. Warunki te były podobne do tych, które wystąpiły na zachodnim wybrzeżu Ameryki Południowej, gdzie tsunami zostało wywołane przez wybuch Tonga. Po trzęsieniu ziemi w Tohoku TIDs obserwowano mniej więcej w tym samym czasie, gdy tsunami dotarło do zachodniego wybrzeża USA. Analiza parametrów TID wykazała, że okres wynosił 15,1 minuty, przy długości fali poziomej 194,8 km i prędkości fazowej 233 m/s. Ponadto pomiary wykazały, że TIDs generowane przez tsunami utrzymywały się przez około 4 godziny nad Ameryką Północną i rozprzestrzeniały się w głąb lądu około 1500 km od ich źródła na zachodnim wybrzeżu. Ich analiza sugerowała, że tsunami było źródłem obserwowanych TIDs i fal grawitacyjnych w atmosferze. Azeem i in. ( 2017 ) zaobserwowali również TID wygenerowane przez to samo wydarzenie tsunami na zachodnim wybrzeżu USA z okresami, długościami fal poziomych i prędkościami fazowymi poziomymi wynoszącymi odpowiednio około 14–30 min, 150–400 km i 180–260 m/s. Fala tsunami dotarła do zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych około 10 do 12 godzin po trzęsieniu ziemi w pobliżu Japonii (05:46 UT). TID po raz pierwszy zaobserwowano o 15:46 UT, a szczyt aktywności obserwowano od 16:30 do 17:30 UT. Podpisy TID były w większości nieobecne do 19:15 UT. Nasze obserwacje czasu trwania TID (~ 4 h) po czasie przybycia tsunami są zgodne z wynikami tych badań.
Nasze badanie zidentyfikowało dwie grupy TID (warianty amplitudy dTEC). Pierwsze zaburzenia dTEC wykryto w okolicach godziny 12:00–15:00 UT (~8–11 godz. po wybuchu), przy czym największe wahania amplitudy wystąpiły w okolicach godziny 13:30–14:30 UT, co jest bardziej widoczne w przypadku Jicamarca i Huancayo. Zaburzenia te mogą być związane z falą Lamb , związaną z wiodącą falą tsunami (Carvajal i in. 2022 ). Drugą grupę dTEC zaobserwowano w przybliżeniu między godziną 18:00 a 22:00 UT, przy czym największe wahania wystąpiły w okolicach godziny 19:00–21:00 UT. Prędkości fazowe szacuje się, dopasowując liniowe równanie odległości d = v * t , gdzie d jest odległością od centrum erupcji do odbiorników GPS, v jest prędkością fazową, a t jest czasem, w którym zaobserwowano TID od wybuchu wulkanu (4:15 UT). Ta druga grupa miała szacowaną prędkość poziomą ~ 190–220 m/s, okresy ~ 15–40 min i długości fal ~ 170–530 km. Możliwym wyjaśnieniem pojawienia się TID w pobliżu 18–22 UT (~ 14–18 h po wybuchu) mogą być fale grawitacyjne generowane przez największe fale tsunami wywołane przez erupcję (Ravanelli i in. 2023 ; Crowley i in. 2016 ; Azeem i in. 2017 ; Inchin i in. 2020 ). Te największe fale tsunami zaczęły docierać do wybrzeża Peru około 19:00 UT. Ogólne charakterystyki okresów, długości fal poziomych i prędkości faz poziomych naszych zaobserwowanych TID są zgodne z tymi przypisywanymi źródłom tsunami. Więcej zaburzeń na GNSS-TEC zidentyfikowano między 22:00 a 24:00 UT. Jednak podobne zaburzenia w tych godzinach obserwowano przez ponad połowę dni stycznia; stąd nie możemy zapewnić, że efekty zaobserwowane w dniu erupcji od 22:00 UT do północy są spowodowane wyłącznie erupcją wulkanu.L0
Najnowsze badania zmian TEC nad Ameryką Południową potwierdzają, że fala Lamb i fale grawitacyjne wywołane tsunami są możliwymi źródłami zaburzeń. Ravanelli i in. ( 2023 ) przeanalizowali morze i tak zwane współwulkaniczne zaburzenia jonosferyczne (CVID) nad Chile i Argentyną podczas pierwszego przejścia fali Lamb i nadejścia tsunami między godziną 12:00 a 23:00 UT, wykorzystując zmiany GNSS-TEC, Deep-Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) oraz pomiary poziomu morza UNESCO-IOC. Skutki fali Lamb i regularnych lub największych fal tsunami zidentyfikowano w danych oceanicznych i jonosferycznych. Przejście fali Lamb było bardziej widoczne około godziny 13:40 UT w obserwacjach z boi DART wzdłuż wybrzeża Chile niż w danych dotyczących poziomu morza IOC. Co więcej, największe fale tsunami dotarły około 18:00 UT wzdłuż wybrzeża Chile. Wyraźne zaburzenia jonosferyczne zaobserwowano w zmianach TEC nad Chile i Argentyną między 12:30 a 14:30 UT z widoczną prędkością poziomą około 303 m/s. Ravanelli i in. ( 2023 ) przypisali te zaburzenia jonosferyczne fali Lamb, biorąc pod uwagę kształty fal zaburzeń TEC i prędkość fazową. Wykazali, że moc widmowa jest zgodna z zakresem częstotliwości fal Lamb (Matoza i in. 2022 ; Nishida i in. 2014 ). Ponadto autorzy zgłosili poprzedni CVID między 11:30 a 12:00 UT z niższymi zmianami TEC i prędkością poziomą około 606 m/s. Pochodzenie tego CVID nie zostało jasno zidentyfikowane. Jedną z ciekawych cech charakterystycznych, na które należy zwrócić uwagę, jest to, że przybycie tego frontu fali w odległości 10 400 km oszacowano na około 12:00 UT, co pokrywa się z czasem początku zaburzeń w dryfach jonów, polu magnetycznym i EEJ, które obserwujemy. Dlatego ten CVID w TEC może być powiązany z zaburzeniami jonosferycznymi w naszych obserwacjach. Trzeci CVID między 18:00 a 21:00 UT, wykryty przez Ravanelli i in. ( 2023 ), miał szacowaną prędkość poziomą około 200 m/s i szczyt mocy widmowej około 0,9 mHz. Zaburzenia te były związane z falami grawitacyjnymi tsunami.
Podobne obserwacje z wykorzystaniem pomiarów zaburzeń TEC (dTEC) w sektorach chilijskim i brazylijskim, w pobliżu południa regionu peruwiańskiego (20° S i 70° W), wykazały dwa pakiety fal TID w okresach 11:30–14:00 UT i 16:00–20:00 UT (Takahashi i in. 2023 ). Okresy te pokrywają się w przybliżeniu z czasami występowania naszych pomiarów dwóch pakietów fal dTEC obserwowanych na różnych stacjach GNSS w zachodnim regionie Ameryki Południowej. Takahashi i in. ( 2023 ) znaleźli dziewięć TIDS z prędkościami fazowymi, długościami fal poziomych i okresami odpowiednio około 275–544 m/s, 330–1174 km i 20–36 min. Pomiary ciśnienia atmosferycznego wskazały, że fala Lamb dotarła do południa Chile w Futalefu (43,2° S, 71,9° W) o 12:29 UT i miała prędkość fazową około 304,5 m/s, docierając do regionu brazylijskiego w Fortaleza (3,9° S, 38,4° W) o 17:29 UT. Przybycie największych fal tsunami wykryto w Bahia Mansa (40,6° S, 73,7° W) o 17:15 UT, a następnie w Valparaiso (33,0° S, 71,6° W) i Tocopilla (22,1° S, 70,2° W) o 18:00 UT. Zgodnie z dowodami, Takahashi i in. ( 2023 ) zasugerowali falę Lamb i fale grawitacyjne wywołane przez tsunami jako możliwe źródła zaburzeń jonosferycznych.
Z drugiej strony, ostatnie wyniki symulacji zaproponowały alternatywną interpretację generowania TID poprzez wpływ wtórnych fal grawitacyjnych atmosfery (Vadas i in. 2023a , b ). Vadas i in. ( 2023a ) odkryli, że wtórne fale grawitacyjne były wzbudzane przez siły ciała i nagrzewanie powstające w wyniku rozproszenia pierwotnych fal grawitacyjnych wywołanych przez erupcję. Model pokazał, że te wtórne fale rozprzestrzeniały się globalnie, generując zaburzenia we wzorcach wiatru termosferycznego. Ponadto symulacje wykazały dobrą zgodność z pomiarami wiatru ICON-MIGHTI. Średnio- i wielkoskalowe wtórne fale grawitacyjne miały okresy ~20 min–7 h, poziome prędkości fazowe ~100–600 m/s i poziome długości fal ~400–7500 km. Ponadto Vadas i in. ( 2023b ) symulowali TID wywołane przez wtórne fale grawitacyjne z erupcji Tonga. Odkryli, że wywołane średnio- i wielkoskalowe TID miały poziome prędkości fazowe ~ 100–750 m/s, poziome długości fal ~ 600–6000 km i okresy naziemne ~ 30 min do 3 godz. To proponowane wyjaśnienie zaburzeń wzorca wiatru termosferycznego jest bardziej spójne z początkowymi jonosferycznymi zaburzeniami na dużą skalę, które zaobserwowaliśmy w dryfach plazmy (pola elektryczne) i EEJ, które rozpoczęły się około 12:00 UT i trwały około 4 godz. Biorąc pod uwagę, że fala Lamb ma okres znacznie krótszy niż ten obserwowany w tych wielkoskalowych zaburzeniach pola elektrycznego, jest mniej prawdopodobne, że fala Lamb mogła być głównym źródłem tych wielkoskalowych zaburzeń wiatru. Tak więc wtórne fale grawitacyjne mogły być jednym z najważniejszych źródeł generowania wielkoskalowych zaburzeń pola elektrycznego.
Innym zaobserwowanym zaburzeniem jonosferycznym związanym z erupcją była tzw. sygnatura rozwidlenia Y jonogramów. Była ona związana z odbiciem fal radiowych w różnych punktach tej samej powierzchni izojonowej ze względu na szeroki wzór anteny jonosonda. Ta cecha i obecność TID rozprzestrzeniających się przez jonosferę nad jonosonda wyjaśniają wzór rozwidlenia Y lub podwójne odbicie na różnych wysokościach dla tej samej częstotliwości. Jonogramy mogły wykrywać różne fazy TID, które modulują gęstość elektronów jonosferycznych w stosunkowo bliskim regionie, który jest objęty wiązką anteny, a fale radiowe odbijają się od jonosfery na różnych wysokościach (Cervera i Harris 2014 ; Harris i in. 2012 ; Munro 1953 ).
Połączony efekt fal Lamb, tsunami i wtórnych fal grawitacyjnych wywołanych przez wulkan może być możliwym wyjaśnieniem generowania obserwowanych TID i zaburzeń jonosferycznych. Jednak złożone procesy dynamiczne między neutralną atmosferą (fale atmosferyczne) a jonosferą, związane z tsunami wywołanymi przez erupcje wulkaniczne, oraz sprzężenie między falą Lamb a jonosferą są zrozumiałe tylko częściowo. Dalsza analiza z wykorzystaniem symulacji i modeli opartych na fizyce w regionach E i F sektora amerykańskiego będzie konieczna, aby zrozumieć bardziej szczegółowo złożoną elektrodynamikę i wędrujące zaburzenia jonosferyczne wywołane przez zdarzenie wulkaniczne Tonga oraz określić ilościowo wkład fal Lamb, tsunami i wtórnych fal grawitacyjnych. Symulacja teoretyczna byłaby konieczna, aby dodatkowo określić ilościowo wkład neutralnego wiatru w elektrodynamikę w regionach Hall i Pedersen na różnych szerokościach geograficznych w sektorze amerykańskim w dniu erupcji, co wykracza poza zakres obecnych badań. Innym ciekawym pomysłem na przyszłą pracę jest porównanie przedstawionych wyników z danymi z dodatkowych instrumentów rozmieszczonych w Ameryce Południowej, takich jak kontynentalna sieć magnetometrów, aby zbadać ewolucję prądów jonosferycznych podczas tego zdarzenia. Ponadto opracowanie symulacji propagacji fal akustycznych opartej na rozwiązywaniu równań płytkiej wody za pomocą metod spektralnych (ze względu na podobieństwo do fal Lamba) pomogłoby oszacować dokładny czas przybycia zaburzeń na różnych stacjach.
Podsumowanie i wnioski
Badaliśmy zmiany czasowe zaburzeń związanych z erupcją wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai od powierzchni morza przechodzącej przez mezosferę, dolną termosferę (MLT) aż do jonosfery w zachodnim sektorze Ameryki Południowej. Używając kilku typów naziemnych instrumentów, obserwowaliśmy zaburzenia poziomu morza, ciśnienia atmosferycznego, składowej pola magnetycznego H, neutralnych wiatrów MLT, przesunięć Dopplera EEJ, pionowych i strefowych dryfów plazmy, TEC i wirtualnej wysokości jonosfery w pobliżu sektora peruwiańskiego (283° długości geograficznej).
Opóźnienie propagacji fali Lamb w troposferze wynosiło około 9,4 godziny od epicentrum erupcji do sektora peruwiańskiego zgodnie z zapisami barometrycznymi. Czasy przybycia pierwszego czoła fali w pobliżu powierzchni wynosiły 13:40 UT (Piura), 13:50 UT (Jicamarca) i 14:00 UT (Huancayo) i są zgodne z odległościami od epicentrum. Szacowana prędkość fazowa fali Lamb wynosiła 301,32 ± 1,5 m/s. Z drugiej strony, oczekiwano, że drugie czoło fali (podróżujące z antypodu) zostanie wykryte najpierw w Huancayo, a następnie w Jicamarca i Piura prawie w tym samym czasie, ale z kolei stacje Huancayo i Piura (06:55 UT) były pierwszymi, które zaobserwowały zaburzenia, a następnie stacja Jicamarca (07:05 UT). Może to wynikać z faktu, że pierwszy ciąg fal był już zdeformowany, gdy dotarł do swojego punktu antypodalnego (Algieria) na skutek procesów atmosferycznych i powierzchniowych (interakcja z orografią), jak opisali Wright i in. ( 2022 ).
Zaobserwowaliśmy duże wahania prądu strumienia elektroelektrycznego głównie podczas niezwykłego zachowania pionowego dryfu E × B. CEEJ wystąpiło nad regionem peruwiańskim od 12:00 do 16:00 UT (8 do 12 godzin po erupcji), jak pokazano na poziomych zmianach pola magnetycznego i pomiarach radarowych. Przypisaliśmy CEEJ wzmocnionym wiatrom strefowym na dużą skalę na wschód na wysokości 100–110 km i zwiększonym wiatrom na zachód na wysokości 140–150 km. Przeciwne kierunki wiatru mogły zapewnić korzystne warunki dla intensywności EEJ na wschodzie. Te cechy wiatru są zgodne z ostatnimi badaniami CEEJ (Yamazaki i in. 2021 ).
Pionowe i strefowe dryfy plazmy nad Jicamarca w dniu wybuchu, uzyskane z 150-kilometrowych ech radarowych, znacznie odbiegały od 5 i 95 percentyli czterech otaczających miesięcy. Sygnatury pionowego dryfu są zgodne ze zmiennością składowej magnetycznej H. Dryfy w dół i w górę odpowiadają obecności CEEJ i EEJ, odpowiednio. Dzienne pionowe dryfy plazmy wykazują nietypowe zachowanie w dół między 12:00 a 16:00 UT, po czym następuje wzmocnienie w górę między 16:00 a 19:00 UT. Nietypowe wschodnie strefowe dryfy plazmy obserwowano w ciągu dnia, szczególnie w okolicach 12:00–13:00 UT i 16:00–18:00 UT, kiedy spodziewane są typowe dzienne dryfy w kierunku zachodnim. Nasze obserwacje i analizy sugerują, że na dużą skalę strefowe zaburzenia wiatru z propagacją na wschód/zewnątrz były najbardziej prawdopodobnym motorem pionowych i strefowych zmian dryfu równikowego, które zaobserwowaliśmy w zachodnim sektorze Ameryki Południowej. Głównym powodem takiego zachowania dryfu jest to, że związane z erupcją zaburzenie atmosferyczne znacząco zmieniło neutralny wiatr strefowy czasowo i przestrzennie, co z kolei zmieniło pole elektryczne dynama w regionach Hall i Pedersen.
Dane dotyczące neutralnego wiatru MLT wykazały zmianę kierunku wiatru strefowego ze wschodu na zachód powyżej 95 km wysokości około 18:00 UT; jednak ta zmiana jest wyraźna między 80 a 100 km wysokości w wiatrach resztkowych dla SIMONe Jicamarca. Podobne cechy zaobserwowano w pomiarach wiatru MLT nad Piurą, ale w tym przypadku zmiana wiatru strefowego ze wschodu na zachód jest zauważalna między 90 a 100 km wysokości. To zaburzenie wiatru MLT jest najprawdopodobniej spowodowane przejściem drugiego frontu fali Lamb ( ), wolniejszego niż pierwszy ( ) (Poblet et al. 2023 ).L1L0
Quasi-periodyczne oscylacje obserwowano w pomiarach TEC na różnych szerokościach geograficznych między 33,4° S i 4,6° N w sektorze długości geograficznej peruwiańskiej. Te zmiany TEC wykryto jako TID między 12:00 a 22:00 UT z okresowością w zakresie 15–40 minut w dniu 15 stycznia. Zidentyfikowano dwa ciągi fal TID. Pierwszą grupę obserwowano około 12:00–15:00 UT (~ 8–11 h po erupcji), przy największych wahaniach amplitudy około 13:30–14:30 UT. Drugi ciąg fal obserwowano między 18:00 a 22:00 UT, przy największych wahaniach około 19:00–21:00 UT. Przejście fali Lamb około godziny 14:00 UT i największych fal tsunami około godziny 18:00–22:00 UT zbiegło się z wystąpieniem dwóch głównych pociągów fal TID. Sugerujemy, że połączony efekt fal Lamb i fal tsunami wywołanych przez wulkan może być możliwym wyjaśnieniem generowania neutralnych zaburzeń wiatru i późniejszych obserwowanych TID. Nie możemy jednak wykluczyć wpływu wtórnych fal grawitacyjnych rozprzestrzeniających się nad zachodnim sektorem Ameryki Południowej i wytworzonych przez erupcję wulkanu. Dodatkowe dowody na przejście TID nad Jicamarca znaleziono w nietypowych sygnaturach rozwidlających się w kształcie litery Y wykrytych na jonogramach od godziny 20:00 UT do 22:00 UT.
Zaburzenia z dolnej części atmosfery wywołane przez wybuch wulkanu Tonga mogą rozprzestrzeniać się i powodować znaczące zaburzenia w górnej atmosferze i jonosferze w odległościach większych niż 10 000 km. Różne czasy występowania zaburzeń oznaczają istnienie różnych mechanizmów fizycznych propagacji fal i sprzężenia jonowo-neutralnego. To wydarzenie było wyjątkowe i znaczące, ponieważ po raz pierwszy radar Jicamarca Radio Observatory zaobserwował dowody zaburzeń jonosferycznych wywołanych przez wulkan nad sektorem peruwiańskim, a kilka naziemnych instrumentów jednocześnie mierzyło atmosferę w różnych warstwach.
Wyniki uzyskane w ramach tego badania mogą być wykorzystane jako punkt odniesienia do modelowania i symulacji w celu odtworzenia reakcji atmosfery na wybuch wulkanu Tonga. Nasze obserwacje można porównać z modelami opartymi na fizyce i numerach, które symulują oczekiwane efekty w troposferze, MLT i regionach jonosferycznych. Pomiary atmosferyczne mogą pomóc zrozumieć różne rodzaje fal generowanych przez wybuchowe, impulsywne zdarzenia, takie jak silne erupcje wulkaniczne, oraz mechanizmy propagacji zaangażowane od powierzchni morza lub poziomu gruntu do jonosfery. Innym znaczącym wkładem tego typu badań obserwacyjnych dotyczących czasowej ewolucji zaburzeń atmosferycznych jest wykrywanie zaburzeń jonosferycznych przed skutkami tsunami. Identyfikacja tych zaburzeń może być pomocna w systemach wczesnego ostrzegania, aby ostrzegać o wystąpieniu niebezpiecznych zdarzeń, które mogą mieć wpływ na działalność morską i produkcyjną w pobliżu regionów przybrzeżnych.
Dostępność danych i materiałów
Zestawy danych odpowiadające pomiarom radarowym Jicamarca, takie jak zestaw danych Echoes 150 km i zestaw danych EEJ, są dostępne na stronie https://www.igp.gob.pe/observatorios/radio-observatorio-jicamarca/madrigal/ . Zestawy danych magnetometru i jonogramu są dostępne na stronie http://lisn.igp.gob.pe/ , zestawy danych barometru i SIMONe są dostępne na żądanie. Zestawy danych o poziomie morza w oceanie są dostępne w systemie obserwacji poziomu morza UNESCO/Międzyrządowej Komisji Oceanicznej (IOC) na stronie: http://www.ioc-sealevelmonitoring.org/index.php .
Odniesienia
-
Aa E, Zhang SR, Wang W, Erickson PJ, Qian L, Eastes R i in. (2022) Wyraźne tłumienie i łączenie wzorców X równikowych anomalii jonizacyjnych po erupcji wulkanu Tonga w 2022 r. J Geophys Res Space Phys 127: e2022JA030527. https://doi.org/10.1029/2022JA030527
-
Adam D (2022) Wulkan Tonga stworzył zagadkowe fale atmosferyczne. Nature 602:3. https://doi.org/10.1038/d41586-022-00127-1
-
Afraimovich EL, Perevalova NP, Plotnikov AV, Uralov AM (2001) Fale akustyczno-szokowe generowane przez trzęsienia ziemi. Ann Geophys 19(4):395–409. https://doi.org/10.5194/angeo-19-395-2001
-
Afraimovich EL, Astafyeva EI, Demyanov VV i in. (2013) Przegląd badań GPS/GLONASS nad reakcją jonosfery na naturalne i antropogeniczne procesy i zjawiska. J Space Weather Space Clim. https://doi.org/10.1051/swsc/2013049
-
Amores A, Monserrat S, Marcos M, Argüeso D, Villalonga J, Jordà G, Gomis D (2022) Symulacja numeryczna atmosferycznych fal Lamb generowanych przez erupcję wulkanu Hunga-Tonga w 2022 r. Geophys Res Lett 49: e2022GL098240. https://doi.org/10.1029/2022GL098240
-
Anderson D, Anghel A, Yumoto K, Ishitsuka M, Kudeki E (2002) Oszacowanie dziennych pionowych prędkości dryfu ExB w równikowym regionie F przy użyciu naziemnych obserwacji magnetometrycznych. Geophys Res Lett 29(12):1596. https://doi.org/10.1029/2001GL014562
-
Anderson D, Anghel A, Chau J, Veliz O (2004) Dzienne pionowe prędkości dryfu E B wywnioskowane z obserwacji magnetometru naziemnego na niskich szerokościach geograficznych. Space Weath 2:S11001. https://doi.org/10.1029/2004SW000095times
-
Artru J, Ducic V, Kanamori H, Lognonné P, Murakami M (2005) Wykrywanie fal grawitacyjnych wywołanych przez tsunami w jonosferze. Geophys J Int 160:840–848. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2005.02552.x
-
Aryal S, Gan Q, Evans JS, Laskar FI, Karan DK, Cai X i in. (2023) Erupcja wulkanu w Tonga wywołała zmiany termosferyczne na skalę globalną zaobserwowane przez misję GOLD. Geophys Res Lett 50: e2023GL103158. https://doi.org/10.1029/2023GL103158
-
Astafyeva E (2019) Wykrywanie zagrożeń naturalnych w jonosferze. Rev Geophys 57(4):1265–1288. https://doi.org/10.1029/2019RG000668
-
Astafyeva E, Maletckii B, Mikesell TD, Munaibari E, Ravanelli M, Coisson P, Manta F, Rolland L (2022) Historia erupcji Hunga Tonga z 15 stycznia 2022 r. na podstawie obserwacji jonosferycznych. Geophys Res Lett 49:e2022GL098827. https://doi.org/10.1029/2022GL098827
-
Azeem I, Vadas SL, Crowley G, Makela JJ (2017) Wędrujące zaburzenia jonosferyczne nad Stanami Zjednoczonymi wywołane falami grawitacyjnymi z tsunami Tohoku w 2011 r. i porównanie z teorią rozpraszania fal grawitacyjnych. J Geophys Res Space Phys 122:3430–3447. https://doi.org/10.1002/2016JA023659
-
Calais E, Minster JB (1998) GPS, trzęsienia ziemi, jonosfera i wahadłowiec kosmiczny. Phys Earth Planet Int 105:167–181. https://doi.org/10.1016/S0031-9201(97)00089-7
-
Carvajal M, Sepúlveda I, Gubler A, Garreaud R (2022) Ogólnoświatowy podpis wulkanicznego tsunami w Tonga w 2022 r. Geophys Res Lett 49(6):e2022GL098153. https://doi.org/10.1029/2022GL098153
-
Cervera MA, Harris TJ (2014) Modelowanie cech zaburzeń jonosferycznych w jonogramach padających quasi-pionowo przy użyciu trójwymiarowego śledzenia promieni magnetojonowych i fal grawitacyjnych w atmosferze. J Geophys Res Space Phys 119:431–440. https://doi.org/10.1002/2013JA019247
-
Chau JL, Woodman RF (2004) Pionowe i strefowe prędkości dzienne z ech 150 km: ich znaczenie dla dynamiki regionu F. Geophys Res Lett 31:17801. https://doi.org/10.1029/2004GL020800
-
Chau JL, Urco JM, Vierinen J, Harding BJ, Clahsen M, Pfeffer N, Kuyeng KM, Milla MA, Erickson PJ (2021) Multistatyczna lustrzana sieć radarowa meteorów w Peru: opis systemu i wstępne wyniki. Earth Space Sci 8(1):e2020EA001293. https://doi.org/10.1029/2020EA001293
-
Crowley G, Azeem I, Reynolds A, Duly TM, McBride P, Winkler C, Hunton D (2016) Analiza wędrujących zaburzeń jonosferycznych (TID) w GPS TEC wywołanych przez trzęsienie ziemi w Tohoku w 2011 r. Radio Sci 51:507–514. https://doi.org/10.1002/2015RS005907
-
Englert CR, Harlander JM, Brown CM i in. (2017) Interferometr Michelsona do globalnego obrazowania termosfery o wysokiej rozdzielczości (MIGHTI): projektowanie i kalibracja instrumentu. Space Sci Rev 212:553–584. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0358-4
-
Farley DT (1985) Teoria równikowych fal plazmowych elektrostrumieniowych – nowe osiągnięcia i obecny stan. J Atmos Terr Phys 47:729–744. https://doi.org/10.1016/0021-9169(85)90050-9
-
Fejer BG, Jensen JW, Su SY (2008) Model dryfu pionowej plazmy w spokojnym czasie w regionie równikowym F wyprowadzony z obserwacji ROCSAT-1. J Geophys Res 113:A05304. https://doi.org/10.1029/2007JA012801
-
Fejer BG, Tracy B, Pfaff R (2013) Równikowe strefowe dryfty plazmy mierzone przez satelitę C/NOFS podczas minimum słonecznego 2008–2011. J Geophys Res Space Phys 118 (6): 3891–3897. https://doi.org/10.1002/jgra.50382
-
Francis SH (1973) Tryby akustyczno-grawitacyjne i wielkoskalowe wędrujące zaburzenia jonosferyczne realistycznej, rozpraszającej atmosfery. J Geophys 78(13):2278–2301. https://doi.org/10.1029/JA078i013p02278
-
Friis-Christensen E, Luehr H, Hulot G (2006) Swarm: konstelacja do badania pola magnetycznego Ziemi. Earth Planet Space 58:351–358. https://doi.org/10.1186/BF03351933
-
Gasque LC, Wu YJ, Harding BJ, Immel TJ, Triplett CC (2022) Szybka modyfikacja wulkaniczna dynama regionu E: pierwszy rzut oka na erupcję Tonga autorstwa ICON. Geophys Res Lett 49(18):e2022GL100825. https://doi.org/10.1029/2022GL100825
-
Gonzalez W, Joselyn JA, Kamide Y, Kroehl HW, Rostoker G, Tsurutani B, Vasyliunas V (1994) Co to jest burza geomagnetyczna? J Geophys Res Space Phys 99(A4):5771–5792. https://doi.org/10.1029/93JA02867
-
Harding BJ, Wu Y-JJ, Alken P, Yamazaki Y, Triplett CC, Immel TJ, Gasque CG, Mende SB, Xiong C (2022) Wpływ erupcji wulkanu Tonga ze stycznia 2022 r. na dynamo jonosferyczne: obserwacje ICON-MIGHTI i Swarm ekstremalnych neutralnych wiatrów i prądów. Geophys Res Lett 49:e2022GL098577. https://doi.org/10.1029/2022GL098577
-
Harris TJ, Cervera MA, Meehan DH (2012) SpICE: program badania zaburzeń na małą skalę w jonosferze. J Geophys Res 117:A06321. https://doi.org/10.1029/2011JA017438
-
Heelis RA (2004) Elektrodynamika w jonosferze niskich i średnich szerokości geograficznych: samouczek. J Atmos Solar Terr Phys 66:825–838. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2004.01.034
-
Heki K (2022) Sygnatury jonosferyczne powtarzających się przejść fal atmosferycznych przez, (2022) 15 erupcja Hunga Tonga-Hunga Ha’apai wykryta przez obserwacje QZSS-TEC w Japonii. Ziemia Planety Kosmos 74:112. https://doi.org/10.1186/s40623-022-01674-7
-
Hu G, Li L, Ren Z, Zhang K (2023) Charakterystyka tsunami wulkanicznego Tonga w Oceanie Spokojnym w 2022 r. Nat Hazards Earth Syst Sci 23:675–691. https://doi.org/10.5194/nhess-23-675-2023
-
Huang CY, Helmboldt JF, Park J, Pedersen TR, Willemann R (2019) Wykrywanie zdarzeń wybuchowych w jonosferze. Rev Geophys 57(1):78–105. https://doi.org/10.1029/2017RG000594
-
Immel TJ, Anglia SL, Mende SB, Heelis RA, Englert CR, Edelstein J, Sirk MM (2018) Misja eksploratora połączeń jonosferycznych: cele misji i projekt. Space Sci Rev 214(1):13. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0449-2
-
Inchin PA, Heale CJ, Snively JB, Zettergren MD (2020) Dynamika nieliniowych atmosferycznych fal akustyczno-grawitacyjnych generowanych przez tsunami w realistycznej batymetrii. J Geophys Res Space Phys 125:e2020JA028309. https://doi.org/10.1029/2020JA028309
-
Kubota T, Saito T, Nishida K (2022) Globalne szybko przemieszczające się tsunami napędzane przez atmosferyczne fale Lamb podczas erupcji Tonga w 2022 r. Science 377:91–94. https://doi.org/10.1126/science.abo4364
-
Kudeki E, Fawcett CD (1993) Obserwacje o wysokiej rozdzielczości 150-kilometrowych ech w Jicamarca. Geophys Res Lett 20:1987–1990. https://doi.org/10.1029/93GL01256
-
Le G, Liu G, Yizengaw E, Englert CR (2022) Intensywny równikowy elektrojet i przeciwelektrojet spowodowany erupcją wulkanu Tonga 15 stycznia 2022 r.: obserwacje kosmiczne i naziemne. Geophys Res Lett 49(11):e2022GL099002. https://doi.org/10.1029/2022GL099002
-
Li W, Zhu H, Feng J, Wu X, Tang J, Zhang Z, Chen J (2023) Asymetryczne fluktuacje jonosferyczne nad regionami okołopacyficznymi po wybuchu wulkanu Tonga w styczniu 2022 r. Space Weather 21:e2022SW003213. https://doi.org/10.1029/2022SW003213
-
Lin JT, Rajesh PK, Lin CCH, Chou MY i in. (2022) Szybkie sprzężone pojawienie się sygnatur gigantycznych fal jonosferycznych typu lamb na półkuli północnej po erupcjach wulkanów Hunga-Tonga. Geophys Res Lett 49:e2022GL098222. https://doi.org/10.1029/2022GL098222
-
Liu HL, Wang W, Huba JD, Lauritzen PH, Vitt F (2023) Reakcje atmosferyczne i jonosferyczne na erupcję wulkanu Hunga-Tonga symulowane przez WACCM-X. Geophys Res Lett 50: e2023GL103682. https://doi.org/10.1029/2023GL103682
-
Lognonné P, Garcia R, Crespon F, Occhipinti G, Kherani A, Artru-Lambin J (2006) Fale sejsmiczne w jonosferze. Wiadomości Europhys 37 (4): 11–15. https://doi.org/10.1051/epn:2006401
-
Lühr H, Manoj C (2013) Pełne widmo równikowego strumienia elektrostatycznego związanego z pływami słonecznymi: obserwacje CHAMP. Ann Geophys 31:1315–1331. https://doi.org/10.5194/angeo-31-1315-2013
-
Matoza RS, Fee D, Assink JD i in. (2022) Fale atmosferyczne i globalne obserwacje sejsmoakustyczne erupcji Hunga w styczniu 2022 r. Tonga. Nauka 377 (6601): 95–100. https://doi.org/10.1126/science.abo7063
-
Munro GH (1953) Odbicia od nieregularności w jonosferze. Proc R Soc Lond A 219(1139):447–463. https://doi.org/10.1098/rspa.1953.0159
-
Negale MR, Taylor MJ, Nicolls MJ, Vadas SL, Nielsen K, Heinselman CJ (2018) Sezonowe charakterystyki propagacji MSTIDs obserwowane na wysokich szerokościach geograficznych nad centralną Alaską przy użyciu Poker Flat Incoherent Scatter Radar. J Geophys Res 123(7):5717–5737. https://doi.org/10.1029/2017JA024876
-
Nishida K, Kobayashi N, Fukao Y (2014) Tło fal lamb w atmosferze Ziemi. Geophys J Int 196(1):312–316. https://doi.org/10.1093/gji/ggt413
-
Pacheco EE, Heelis RA, Su SY (2010) Spokojne dryfty jonów południkowych (pionowych) na niskich i średnich szerokościach geograficznych obserwowane przez ROCSAT-1. J Geophys Res 115:A09308. https://doi.org/10.1029/2009JA015108
-
Pacheco EE, Heelis RA, Su SY (2011) Superrotacja jonosfery i spokojne dryfty jonów strefowych na niskich i średnich szerokościach geograficznych obserwowane przez Republic of China Satellite-1 (ROCSAT-1). J Geophys Res 116:A11329. https://doi.org/10.1029/2011JA016786
-
Peltier WR, Hines CO (1976) O możliwości wykrywania tsunami poprzez monitorowanie jonosfery. J Geophys Res 81(12):1995–2000. https://doi.org/10.1029/JC081i012p01995
-
Poblet FL, Chau JL, Conte JF i in. (2023) Ekstremalne poziome zaburzenia wiatru w mezosferze i dolnej termosferze nad Ameryką Południową związane z erupcją Hunga w 2022 r. Geophys Res Lett 50(12):e2023GL103809. https://doi.org/10.1029/2023GL103809
-
Pradipta R, Valladares CE, Doherty PH (2015) Obserwacje jonosondażowe zaburzeń jonosferycznych spowodowanych eksplozją meteorytu w Czelabińsku 15 lutego 2013 r. J Geophys Res 120(11):9988–9997. https://doi.org/10.1002/2015JA021767
-
Qiu S, Shi M, Wang X, Zhang Z, Soon W, Velasco Herrera VM (2023) Badanie odpowiedzi jonosferycznej na wybuch wulkanu Hunga Ha’apai w 2022 r. na podstawie obserwacji z Meridian Project: zmiany dryfu plazmy. Remote Sens 15:4181. https://doi.org/10.3390/rs15174181
-
Ravanelli M, Astafyeva E, Munaibari E, Rolland L, Mikesell TD (2023) Zaburzenia oceaniczno-jonosfery spowodowane erupcją Hunga-Tonga Hunga-Ha’apai w dniu 15 stycznia 2022 r. Geophys Res Lett 50:e2022GL101465. https://doi.org/10.1029/2022GL101465
-
Savitzky A, Golay JE (1964) Wygładzanie i różnicowanie danych za pomocą uproszczonych procedur najmniejszych kwadratów. Anal Chem 36(8):1627–1639. https://doi.org/10.1021/ac60214a047
-
Schnepf NR, Minami T, Toh H, Nair MC (2022) Sygnatury magnetyczne erupcji wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha’apai z 15 stycznia 2022 r. Geophys Res Lett 49: e2022GL098454. https://doi.org/10.1029/2022GL098454
-
Shinbori A, Otsuka Y, Sori T i in. (2022) Elektromagnetyczne sprzężenie zaburzeń jonosferycznych po erupcji wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha’apai w 2022 r., widoczne w obserwacjach pary radarów GNSS-TEC i SuperDARN Hokkaido. Planety Ziemia Przestrzeń 74:106. https://doi.org/10.1186/s40623-022-01665-8
-
Stober G, Kozlovsky LA, Qiao A, Krochin Z, Shi WG, Tsutsumi KJ, Gulbrandsen M, Nozawa N, Lester S, Baumgarten M, Belova KE, Mitchell N (2023) Identyfikacja fal grawitacyjnych uruchamianych przez Hunga Tonga-Hunga Ha” erupcja wulkanu apai w mezosferze/wiatry z niższej termosfery pochodzące z CONDOR i Nordycka gromada radarów meteorytowych. Ann Geophys 41: 197–208. https://doi.org/10.5194/angeo-41-197-2023
-
Sun YY, Chen CH, Zhang P, Li S i in. (2022) Wybuchowa erupcja podwodnego wulkanu Tonga moduluje prąd jonosferycznego regionu E 15 stycznia 2022 r. Geophys Res Lett 49(15):e2022GL099621. https://doi.org/10.1029/2022GL099621
-
Takahashi H, Figueiredo CAOB, Barros D i in. (2023) Zaburzenia jonosferyczne nad Ameryką Południową związane z erupcją wulkanu Tonga. Earth Planets Space 75:92. https://doi.org/10.1186/s40623-023-01844-1
-
Themens DR, Watson C, Žagar N, Vasylkevych S, Elvidge S, McCaffrey A i in. (2022) Globalna propagacja zaburzeń jonosferycznych związanych z erupcją wulkanu Tonga w 2022 r. Geophys Res Lett 49:e2022GL098158. https://doi.org/10.1029/2022GL098158
-
Vadas SL, Makela JJ, Nicolls MJ, Milliff RF (2015) Wzbudzanie fal grawitacyjnych przez pakiety fal powierzchniowych oceanu: propagacja w górę i rekonstrukcja pola fal grawitacyjnych termosfery. J Geophys Res Space Phys 120(11):9748–9780. https://doi.org/10.1002/2015JA021430
-
Vadas SL, Becker E, Figueiredo C, Bossert K, Harding BJ, Claire Gasque LC (2023a) Fale grawitacyjne pierwotne i wtórne oraz zmiany wiatru na dużą skalę wygenerowane przez wybuch wulkanu Tonga 15 stycznia 2022 r.: modelowanie i porównanie z wiatrami ICON-MIGHTI. J Geophys Res Space Phys 128(2):e2022JA031138. https://doi.org/10.1029/2022JA031138
-
Vadas SL, Figueiredo C, Becker E, Huba J, Themens DR, Hindley NP i in. (2023b) Wędrujące zaburzenia jonosferyczne wywołane wtórnymi falami grawitacyjnymi z erupcji Tonga 15 stycznia 2022 r.: modelowanie z wykorzystaniem MESORAC-HIAMCM-SAMI3 i porównanie z danymi GPS/TEC i jonosond. J Geophys Res Space Phys 128(6):e2023JA031408. https://doi.org/10.1029/2023ja031408
-
Valladares CE, Chau JL (2012) Sieć czujników jonosfery niskich szerokości geograficznych: wstępne wyniki. Radio Sci 47:RS0L. https://doi.org/10.1029/2011RS004978
-
Wood AG, Alfonsi L, Clausen LB, Jin Y, Spogli L i in. (2022) Zmienność plazmy jonosferycznej: wyniki misji roju ESA. Space Sci Rev 218(6):52. https://doi.org/10.1007/s11214-022-00916-0
-
Wright CJ, Neil Hindley M, Alexander J i in. (2022) Fale atmosferyczne z powierzchni do przestrzeni kosmicznej z erupcji Hunga Tonga-Hunga Ha’apai. Nature 609:741–746. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05012-5
-
Yamazaki Y, Richmond AD, Maute A, Liu HL, Pedatella N, Sassi F (2014) O codziennej zmienności równikowego strumienia elektrostatycznego w okresach ciszy. J Geophys Res Space Phys 119(8):6966–6980. https://doi.org/10.1002/2014JA020243
-
Yamazaki Y, Harding BJ, Stolle C, Matzka J (2021) Neutralne profile wiatru w okresach elektrojeta równikowego na wschód i zachód. Geophys Res Lett 48(11):e2021GL093567. https://doi.org/10.1029/2021GL093567
-
Zhang SR, Vierinen J, Aa E, Goncharenko LP, Erickson PJ, Rideout W, Coster AJ, Spicher A (2022) 2022 Wybuch wulkanu Tonga wywołał globalną propagację zaburzeń jonosferycznych za pośrednictwem fal lamb. Front Astron Space Sci 9:871275. https://doi.org/10.3389/fspas.2022.871275
Ziemia, planety i przestrzeń tom 76 , Numer artykułu: 79 ( 2024 )
Podziękowanie
Chcielibyśmy podziękować Percy’emu Cóndorowi i Edwardowi Arboledzie za pomoc w skalowaniu danych jonosondy, dr. Rodolfo Rodriguezowi z Uniwersytetu Piura oraz Manuelowi Piñasowi i dr. José Floresowi z Obserwatorium Huancayo za udostępnienie danych barometrycznych na potrzeby tego badania, a także Anette De La Cruz za pomoc w zaprojektowaniu ilustracji.
Finansowanie
Radioobserwatorium Jicamarca jest placówką Instituto Geofísico del Perú zarządzaną na podstawie umowy z Cornell University, na mocy Umowy Głównej AGS-2213849 zawartej z National Science Foundation.
Deklaracje etyczne
Konflikty interesów
Autorzy oświadczają, że nie zachodzi u nich żaden konflikt interesów.
Informacje dodatkowe
Uwaga wydawcy
Springer Nature zachowuje neutralność w kwestii roszczeń jurysdykcyjnych na opublikowanych mapach i powiązań instytucjonalnych.
Informacje uzupełniające
Prawa i uprawnienia
Otwarty dostęp Niniejszy artykuł jest licencjonowany na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0 Międzynarodowe, która zezwala na używanie, udostępnianie, adaptację, dystrybucję i reprodukcję w dowolnym medium lub formacie, pod warunkiem podania odpowiedniego uznania dla oryginalnych autorów i źródła, podania linku do licencji Creative Commons i wskazania, czy wprowadzono zmiany. Obrazy lub inne materiały stron trzecich w tym artykule są objęte licencją Creative Commons artykułu, chyba że wskazano inaczej w linii kredytowej do materiału. Jeśli materiał nie jest objęty licencją Creative Commons artykułu, a zamierzone użycie nie jest dozwolone przez przepisy ustawowe lub przekracza dozwolone użycie, należy uzyskać zgodę bezpośrednio od właściciela praw autorskich. Aby wyświetlić kopię tej licencji, odwiedź stronę http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ .
O tym artykule
Cytuj ten artykuł
Pacheco, EE, Velasquez, JP, Flores, R. i in. Wpływ erupcji wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha’apai na atmosferę peruwiańską: od powierzchni morza do jonosfery. Earth Planets Space 76 , 79 (2024). https://doi.org/10.1186/s40623-024-02022-7
Link do artykułu: https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-024-02022-7