Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Термосферно-ионосферные эффекты магнитных бурь и их математическое моделирование (обзор литературы) 12
Глава II. Математическая модель верхней атмосферы Земли 19
2.1. Структура модели 21
2.2. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы 24
2.2.1. Нейтральная атмосфера 24
2.2.2. Нижняя ионосфера (D, Е и F1 области ионосферы) 27
2.3. Блок ионосферной Р2-области и внешней ионосферы 28
2.4. Блок расчета электрического поля 30
2.5. Магнитосферный блок 31
2.6. Входные параметры модели 32
2.7. Численные сетки 33
Глава III. Модельные расчеты спокойных и возмущенных вариаций параметров верхней атмосферы в условиях солнцестояния при низкой солнечной активности 38
3.1. Геомагнитная ситуация и условия численного эксперимента 39
3.2. Результаты численного моделирования 46
3.2.1. Термосферный состав 47
3.2.2. Ионосферно-термосферная динамика 52
3.2.3. Временные вариации 54
3.2.4. Сравнение результатов моделирования возмущений термосферного состава с экспериментальными данными 60
3.3. Обсуждение 63
3.3.1. Состав термосферы 63
3.3.2. Положительная ионосферная буря 65
3.3.3. Временное развитие бури 65
3.4. Заключение 66
Глава IV. Модельные расчеты спокойных и возмущенных вариаций параметров верхней атмосферы в равноденственных условиях при высокой солнечной активности 68
4.1. Геомагнитная ситуация и условия численного эксперимента 68
4.2. Результаты численного моделирования 75
4.2.1. Термосферный состав 75
4.2.2. Ионосферно-термосферная динамика 84
4.2.3. Плазмосферная динамика 87
4.2.4. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными 92
4.2.5. Влияние электрического поля и изменения термосферного состава на плазмосферную динамику 102
4.3. Обсуждение 105
4.3.1. Состав термосферы 105
4.3.2. Ионосферная буря 106
4.3.3. Временное развитие бури 107
4.4. Заключение 108
Заключение
Библиографический список использованной литературы 113
- Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы
- Термосферный состав
- Сравнение результатов моделирования возмущений термосферного состава с экспериментальными данными
- Ионосферно-термосферная динамика
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию физических процессов, происходящих в термосфере и ионосфере Земли во время геомагнитных бурь. Исследование выполнено методом математического моделирования, с использованием численной глобальной самосогласованной модели верхней атмосферы Земли.
Актуальность
Математическое моделирование с использованием численных моделей является одним из эффективных методов исследования процессов, происходящих в верхней атмосфере, позволяющим прогнозировать количественные и качественные изменения в ней в зависимости от геофизических условий.
Несмотря на многолетние исследования и составленную на основе экспериментальных наблюдений морфологию термосферно-ионосферных возмущений (см. например обзоры: /5, 31/), физические механизмы, приводящие к образованию этих явлений во время геомагнитных бурь, продолжают оставаться до конца не выясненными.
Недостаточность знания в этой области составляют одну из проблем современной геофизики, разрешение которой имеет не только большое общее фундаментальное и теоретическое значение для понимания физических процессов, происходящих в нейтральном газе и плазме, но и практическое: для прогнозирования устойчивости протяженных радиотрасс, торможения низкоорбитальных спутников за счет трения о нейтральную атмосферу и т.п.
Проводившиеся в последнее десятилетие исследования термосферно-ионосферного взаимодействия в возмущенных условиях с использованием математического моделирования пока не смогли дать исчерпывающего ответа на возникающие вопросы, так как полученные результаты теоретического моделирования сильно зависят от сделанных предположений, касающихся входных параметров, и приближений, использованных при создании модели, а поэтому результаты расчетов не согласуются полностью с результатами
наблюдений в количественных, а иногда и качественных оценках моделируемых физических процессов, происходящих в околоземной плазме. Улучшение и развитие математических моделей с целью достижения высокой степени согласия между теоретическими расчетами и результатами экспериментальных наблюдений составляют вторую проблему математического моделирования - проблему количественной адекватности воспроизведения современными численными моделями верхней атмосферы физических процессов, происходящих в ней.
Цели
Используя численную модель верхней атмосферы Земли /14, 15, 77/ провести моделирование (численные расчеты) термосферных и ионосферных эффектов геомагнитных бурь, происходивших в разных геофизических условиях.
Исследовать физические механизмы приводящие к образованию положительной фазы ионосферной бури.
Провести сравнение полученных результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными и проанализировать величины их расхождения.
Исследовать влияние на поведение термосферы и ионосферы Земли во время геомагнитных бурь таких факторов как солнечная активность и сезонная зависимость, изучить физические механизмы этого влияния.
Новизна результатов
Впервые: Проведено самосогласованное теоретическое моделирование термосферных, ионосферных и плазмосферных параметров для конкретных геомагнитно-возмущенных периодов времени (геомагнитных бурь января 1974 г. и апреля 1979 г.) в условиях солнцестояния и равноденствия при низкой и высокой солнечной активности.
Достигнуто приемлемое согласие полученных результатов теоретических расчетов с совокупностью значений термосферно-ионосферных параметров (электронной концентрации, нейтральной плотности и др.) наблюдавшимися в соответствующие периоды времени.
Промоделирован относительный вклад различных физических механизмов в формирование положительной ионосферной бури и показано, что положительная фаза ионосферного возмущения образуется в результате действия нейтральных ветров и не связана с изменением термосферного состава в средних широтах.
Показано, что реакция термосферного состава на геомагнитное возмущение через ионосферу влияет на характер восстановления плазмосферы после геомагнитной бури.
Научная и практическая значимость работы
Научная и практическая значимость работы заключается в решении ряда задач, связанных с проблемой математического моделирования параметров верхней атмосферы и их динамики в геомагнитно-возмущеных условиях. Решение данной проблемы облегчает прогнозирование состояния термосферы и ионосферы в различных геофизических условиях, что играет большую роль при расчетах устойчивости радиотрасс и движения низкоорбитальных космических аппаратов.
Объект и предмет исследования
Объектом данного исследования являются процессы и явления, происходящие в верхней атмосфере Земли (ионосфере, термосфере, плазмосфере) во время геомагнитных бурь. Динамика основных термосферных составляющих (О и N2), электронной концентрации в ионосфере и плазмосфере, а также термосферно-ионосферное взаимодействие в возмущенных условиях и роль внешних факторов (солнечной активности, потоков энергичных частиц и электрических полей магнитосферного происхождения) составляют непосредственно предмет исследования.
Методы исследования
Для исследования применяется метод математического моделирования с использованием глобальной самосогласованной численной модели верхней атмосферы Земли, созданной в Западном Отделении ИЗМИРАН (г. Калининград) и модифицированной /14, 15, 77/ в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра РАН и Мурманском государственном техническом университете (г. Мурманск). Эта модель представляет собой трехмерную нестационарную математическую модель верхней атмосферы Земли в высотном диапазоне от 60 км до геоцентрического расстояния 15 земных радиусов, решающую в квази-гидродинамическом приближении уравнения для концентраций, температур и скоростей нейтральных и заряженных частиц, а также уравнение для электрического потенциала.
Основные результаты и защищаемые положения
Методом математического моделирования с использованием глобальной самосогласованной модели верхней атмосферы Земли исследованы физические механизмы, приводящие к формированию отрицательной и положительной ионосферных бурь в условиях низкой и высокой солнечной активности, в периоды равноденствия и солнцестояния и установлено следующее:
Термосферная реакция носит глобальный характер и проявляется в виде уменьшения отношения концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота в высокоширотных областях. Градиент возмущения в меридиональном направлении больше при низкой солнечной активности.
Количественно термосферная реакция значительно больше в условиях низкой солнечной активности, что обусловлено более низкими значениями фоновых концентраций и температуры нейтралов.
Сезонная зависимость термосферной реакции в условиях солнцестояния выражается в том, что уменьшение [0]/рМг] в высоких широтах, обусловленное геомагнитной бурей, в зимнем полушарии больше чем в летнем. При равноденствии асимметрия в реакции отдельных
термосферных составляющих между южным и северным полушариями обусловлена UT-эффектом.
Положительные ионосферные возмущения на низких широтах объясняются конвергенцией горизонтальных термосферных ветров, направленных от высокоширотных источников нагрева, обусловленных усилением притока энергии во время геомагнитной бури. Дополнительный вклад в положительную фазу ионосферной бури вносят перемещающиеся ионосферные возмущения.
Положительная фаза ионосферной бури доминирует на дневной стороне и больше в зимнем полушарии при низкой солнечной активности. При высокой солнечной активности вблизи равноденствия заметной положительной фазы ионосферной бури не образуется.
Запаздывание термосферной реакции относительно изменений электрического потенциала обуславливает через ионосферу изменение характера регулярного наполнения и опустошения магнитных трубок и их электромагнитного дрейфа, в результате чего скорость наполнения плазмосферы ниже на ранних этапах восстановления после геомагнитной бури.
Проведенные численные расчеты термосферных параметров хорошо согласуются с результатами экспериментальных наблюдений, проводившихся спутниками АЕ-С, ESRO-4 и SETA-1, что говорит об их высокой достоверности и целесообразности применения теоретических моделей верхней атмосферы для прогнозирования торможения низкоорбитальных спутников в геомагнитно-возмущенных условиях.
Личный вклад автора
Работая в Полярном геофизическом институте, автор принимал участие в доработке и усовершенствовании модели верхней атмосферы Земли. Непосредственно автором диссертации были внесены изменения в модель верхней атмосферы Земли, позволившие более точно с использованием экспериментальных данных задавать входные параметры модели соответствующие моделируемым датам. Им были выполнены теоретические
расчеты с использованием модели, которые были сопоставлены с данными наблюдений, проведен анализ результатов численных расчетов и экспериментальных данных. Автор диссертации принимал участие в обсуждении и подготовке публикаций полученных результатов, вошедших в диссертационную работу.
Апробация и публикации
Результаты, вошедшие в диссертацию, представлялись на ежегодных семинарах "Физика авроральных явлений" (ПГИ, Апатиты /88, 73, 83, 84, 89, 92, 90, 91/), Научно-технических конференциях МГТУ (Мурманский государственный технический университет, Мурманск /11, 19, 22, 24/) и Всероссийской научно-технической конференции "Наука и образование -2002" (Мурманск /17/), а также Международной конференции по проблемам геокосмоса (Ст.-Петербург /85/). В 1998 г. на 23-й Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Сообщества в Ницце (Франция /87/), митингах Американского геофизического союза (Бостон /67, 71/), рабочей группе и симпозиуме Европейского космического агентства (Нордвик, Нидерланды и Потсдам, Германия /40, 66/), на 2-м международном TIGER-симпозиуме (Ст.-Петербург /82/), конференции URSI /39/ и рабочей группе по "Космической погоде" (Бостон /86/).
В 1999 году по результатам конкурса работ молодых ученых КНЦ РАН автор диссертации был награжден дипломом III степени за цикл публикаций по математическому моделированию термосферных и ионосферных эффектов магнитной бури. Автор диссертации и А.А.Намгаладзе в 1999 году вошли в число победителей конкурса РФФИ научно-популярных статей в разделе "Науки о Земле" (РФФИ, проект 99-05-99421, "Математическое моделирование возмущений верхней атмосферы" /18/). Кроме того, материалы исследований, вошедшие в диссертацию, были опубликованы в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, коллективной монографии и сборниках научных трудов /14, 16, 18, 23,42, 72, 80, 81, 87/.
По материалам, вошедшим в диссертацию, было опубликовано 9 работ в отечественных и зарубежных рецензируемых изданиях, 6 статей в трудах конференций и семинаров, а также 15 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации
Диссертация включает 125 страниц, из них 32 страницы рисунков, 1 страница с таблицей и 13 страниц библиографии.
Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка литературы.
Во введении сформулированы цель работы, ее актуальность, представлены объект, предмет и методы исследования, кратко изложены структура и содержание диссертации.
В первой главе дан обзор теоретических и экспериментальных исследований термосферных и ионосферных явлений, наблюдаемых в периоды геомагнитных бурь, на основе опубликованных ранее в литературе работ. Даны определения продолжительных геомагнитных возмущений, называемых геомагнитными бурями, а также сопутствующих им термосферных и ионосферных возмущений. Представлены наиболее часто привлекаемые для объяснения термосферно-ионосферного взаимодействия теории и гипотезы, дана характеристика их недостатков и преимуществ по сравнению друг с другом. Кроме того, в данной главе изложена история развития математического моделирования термосферно-ионосферного взаимодействия.
Во второй главе дано описание использованной глобальной самосогласованной модели верхней атмосферы Земли, приведена ее блочная структура, основные входные параметры и рассчитываемые в модели параметры. Представлены основные уравнения, составляющие модель, граничные условия, а также описаны параметры пространственных сеток численного интегрирования этих уравнений.
Третья глава представляет полученные в ходе теоретических расчетов для условий геомагнитной бури 25-26 января 1974 года (низкая солнечная активность) пространственные и временные вариации основных
термосферных и ионосферных параметров. Проводится сравнение результатов, рассчитанных для возмущенных условий, с результатами моделирования спокойного хода, а также представлено сравнение результатов моделирования по теоретической модели с эмпирическими моделями и экспериментальными данными. В конце главы полученные результаты анализируются и обобщаются в основные результаты для условий низкой солнечной активности вблизи солнцестояния.
В четвертой главе приведены результаты численного моделирования параметров верхней атмосферы Земли для магнитной бури 3-4 апреля 1979 года (высокая солнечная активность). Представлены пространственно-временные вариации возмущений тех же, что и в предыдущей главе, термосферных и ионосферных параметров. Кроме того, в данной главе представлены полученные в ходе расчетов параметры плазмосферы и показано согласие полученных картин с известными, экспериментально наблюдаемыми характерными особенностями плазмосферной динамики. Также в этой главе приведены результаты численного эксперимента, в ходе которого были разделены эффекты электрического поля и влияние измененного термосферного состава на плазмосферную динамику. Проведено сравнение полученных теоретических расчетов с экспериментальными спутниковыми и ионозондовыми данными. В конце главы полученные результаты, как и в предыдущей главе, анализируются и обобщаются в выводы для условий высокой солнечной активности и равноденствия.
В заключении, на основе проведенного исследования, сделаны выводы о механизмах и взаимовлиянии термосферных и ионосферных возмущений, вызванных геомагнитной бурей в разных геофизических условиях, а также их связи с изменениями плотности и температуры в плазмосфере.
Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы
В этих уравнениях пп - концентрация я-ой нейтральной компоненты; V-вектор скорости нейтрального ветра; Vdn - вектор скорости диффузии, который имеет только вертикальную компоненту, равную сумме скоростей молекулярной и турбулентной диффузии; Q„, L„ - скорости образования и потерь я-ой нейтральной компоненты с учетом диссоциации ( и реакций рекомбинации для О и 02; индекс "hor" относится к горизонтальным компонентам вектора; р, р - средняя массовая плотность и давление нейтрального газа; Q - вектор угловой скорости Земли; ц„„ vni - приведенная масса и частота столкновений между нейтральными и ионными компонентами атмосферы; V-, - вектор скорости ионов; г) - коэффициент вязкости; g - сумма гравитационного и центробежного ускорений; г - геоцентрическое расстояние; т„ - масса я-ой нейтральной компоненты; к - постоянная Больцмана; Т-температура нейтрального газа; cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме; Хп - коэффициент теплопроводности нейтрального газа; PnQUV, PnQ, P„Q - скорости нагрева нейтрального газа солнечным УФ и КУФ излучением, джоулев нагрев и нагрев высыпающимися энергичными частицами; P„L -скорость потери тепла нейтральным газом за счет излучения. Подробные выражения для всех коэффициентов и членов уравнений (7 - 13) и их форму в сферической геомагнитной системе координат можно найти в статье /74/ и в книге III.
Уравнение (7) используется для того, чтобы рассчитать концентрации О и Ог, полная массовая плотность р рассчитывается из гидростатического уравнения равновесия (9). Что касается концентрации N2, то выше уровня турбопаузы она рассчитывается по барометрическому закону, а не вычисляется как разность между полной массовой плотностью и массовой плотностью молекулярного и атомарного кислорода (уравнение (11)) из-за больших ошибок, которые возникают, когда эта разность мала. Уравнения (8) используются для расчета горизонтальных меридиональной (Vx) и зональной (Vy) компонент скорости нейтрального ветра. Чтобы получить вертикальную скорость ветра используется уравнение непрерывности (10), потому что вертикальная компонента уравнения движения для нейтрального газа сводится к уравнению (9), которое не содержит вертикальной компоненты скорости нейтрального ветра. Наконец, уравнение теплового баланса (13) используется для расчета нейтральной температуры Т„. Система уравнений (7 - 13) дополняется начальными и граничными условиями. На верхней границе (/? = 520 км) полагается, что 3V дТ л or or и все нейтральные компоненты находятся здесь в диффузионном равновесии.
На нижней границе (h = 60 км) скорость ветра берется в геострофическом приближении (или могут быть взяты приливы), а температура и концентрации нейтральных компонент берутся из эмпирической модели термосферы. Кроме того, эта модель используется, чтобы получить начальное пространственное распределение концентраций нейтралов и температуры (начальные условия).
Что касается ветра, используется нулевая скорость в качестве начального условия. Чтобы получить стационарное решение, необходимо интегрировать систему моделирующих уравнений до тех пор, пока результаты интегрирования не перестанут отличаться при продолжении интегрирования. Обычно, чтобы достичь этого, требуется несколько расчетных дней при постоянных геофизических условиях. 2.2.2. Нижняя ионосфера (D, Е и F1 области ионосферы)
В этой части рассчитываются следующие параметры D, Е и F1-областей ионосферы: полная концентрация молекулярных ионов n(XY+) = «(NO+) + + к(Ог+) + «(N2+), ионная и электронная температуры Г/ и Те и скорость молекулярных ионов V(XY ) для диапазона высот от 60 км до 175 км (для 7} и Те) и до 520 км для «(XY1") и f XY4). Решаются следующие уравнения:
В этих уравнениях g(XY+), L(XY+) - скорости образования и потерь молекулярных ионов, учитывающие ионизацию прямым и рассеянным солнечным КУФ излучением, ионизацию высыпающимися электронами, ионно-молекулярные реакции и диссоциативную рекомбинацию; Р -скорость джоулева нагрева ионного газа, PiTe, РІТ" - скорости обмена энергией между ионным и электронным и нейтральным газами; пе - электронная концентрация; PeQP PeQ - скорости нагрева электронного газа фотоэлектронами и высыпающимися магнитосферными электронами; Рет = - РІТЄ\ Рет" - скорость упругого и неупругого обмена энергией между электронным и нейтральным газами; т,- - масса ионов; g - ускорение свободного падения; vin щ - vni п„; е - заряд электрона; Е, В - электрическое и магнитное поле. Более подробную информацию о членах уравнений (14 - 18) можно найти в статье /74/ и в книге /1/.
Как можно видеть из (14 - 16), пренебрегается процессами переноса тепла и частиц в D, Е и F1-областях ионосферы вследствие преобладания фотохимических процессов и локального нагрева и обмена теплом в этих ионосферных областях. Уравнения (17 - 18) используются для вычисления компонент вектора скорости ионов, которые нужны для расчета термосферных ветров и температуры с учетом ионного торможения и джоулева нагрева.
Термосферный состав
Рисунки 8-Ю представляют сравнение эмпирических данных о вариациях газового состава термосферы с результатами модельных расчетов. Левая панель представляет распределения возмущения параметров по эмпирической термосферной модели MSISE-90/56/, правая - теоретические расчеты. Возмущение параметров определялось как отношение значений, полученных для возмущенных геомагнитных условий 25.01.74, к значениям, соответствующим спокойному ходу в предыдущий невозмущённый день 24.01.74. Рисунки построены для фиксированной высоты h = 300 км.
Рисунок 8 демонстрирует вариации в ходе бури глобального распределения возмущения концентрации атомарного кислорода. Отличия в развитии общей картины возмущения [О] между прогнозами MSISE-90 (левая панель рис. 8) и расчётами по теоретической модели (правая панель рис. 8) очевидны. В то время как согласно MSISE-90 максимальное возмущение [О] расположено вблизи географического экватора во всех фазах бури (в разные моменты UT), теоретическая модель демонстрирует распространение возмущения от авроральных широт к экватору в ходе развития бури. В обеих моделях (эмпирической и теоретической) наибольшая амплитуда положительного возмущения (относительного увеличения [О]) расположена в секторе, соответствующем местному времени между полуночью и восходом солнца. И в эмпирической модели, и в теоретической это максимальное увеличение составляет примерно фактор 2. Вблизи авроральных зон и в полярной шапке плотность атомарного кислорода согласно теоретическим расчётам во время бури уменьшается и в северном и в южном полушариях, при этом сильнее в южном (летнем) полушарии. По эмпирической модели уменьшение [О] имеет место только в южном полушарии
Распределения возмущения концентрации атомарного кислорода (отношения концентраций в возмущенных и спокойных условиях [0]У[0]?) в геомагнитной системе координат на высоте 300 км 25.01.1974 по эмпирической термосферной модели MSISE-90 (левая панель) и рассчитанные с использованием теоретической модели (правая панель). Положение солнца указано кружком, штриховые линии изображают полуденно-полуночный географический меридиан, терминатор и географический экватор, прямоугольники на полуденно-полуночном меридиане обозначают географические полюса. Распределение возмущения концентрации молекулярного азота во время бури представлено на рис. 9 в форме, аналогичной рис. 8. Возмущение [N2] ограничено высокими широтами (выше 50 геомагнитной широты), и амплитуда возмущения значительно больше в северном (зимнем) полушарии, что связано с большей эффективностью джоулева нагрева. Амплитуда возмущения в расчетах по теоретической модели примерно в полтора раза превышает возмущение по данным эмпирической модели MSISE-90.
Следующий рис. 10 представляет собой комбинацию двух предыдущих рисунков. На этом рисунке изображены картины возмущения отношения [0]/[N2]. Отношение концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота является важным термосферным параметром, определяющим, как было показано выше, соотношение между интенсивностями источников ионизированных частиц и процессов их потерь.
Масштаб цветовой шкалы на рис. 10 соответствует десятичному логарифму R - отношения значений [0]/[N2] в возмущенных и спокойных условиях (т. е. i?(0/N2) = ([0]/[N2]V([0]/[N2])?). Нулевое значение указывает на неизменившуюся пропорцию двух основных термосферных составляющих [О] и [N2] (но не на отсутствие изменения плотностей разных сортов в отдельности). Это отношение концентраций лёгких и тяжёлых нейтральных составляющих остается в течение бури близким к единице в большей части области средних широт и повсюду в низких широтах.
Картины возмущений нейтрального состава по модели MSISE-90 (левая панель рис. 10) и результатам расчетов, проведенных по теоретической модели (правая панель рис. 10), в целом сходны, но в то же время демонстрируют и заметные отличия. Одно из отличий - это количественное расхождение с большими амплитудами логарифма возмущения в данных, полученных по теоретической модели. Согласно теоретическим расчетам отношение R уменьшилось в зимнем полушарии более чем в 25 раз, а в летнем - в 10 раз. Согласно эмпирической модели MSISE-90 соответствующие значения 10 и 6 раз. Кроме того, заметны и качественные отличия
То же что на рис. 8, но для возмущения концентрации молекулярного азота (отношения возмущенных и спокойных величин концентраций [N2]y[N2]9) по MSISE-90 (левая панель) и теоретической модели (правая панель). ВОЗМУЩЕНИЕ НЕЙТРАЛЬНОГО СОСТАВА
То же что на рис. 8, но для логарифма отношения значений [0]/[N2] (разность логарифмов отношения значений [0]/[Ы2] в возмущенных и спокойных условиях) по MSISE-90 (левая панель) и теоретической модели (правая панель). выражающиеся в том, что по данным эмпирической модели MSISE-90 возмущение развивается на всех широтах одновременно, в то время как по результатам теоретической модели оно развивается постепенно, распространяясь от авроральной зоны вниз к низким широтам в ходе бури. Абсолютные значения возмущений в обеих моделях больше в северном (зимнем) полушарии, что обусловлено сезонным эффектом. Экваториальная граница возмущения в зимнем полушарии резко выражена в теоретических расчётах вблизи 50 магнитной широты, в летнем она менее ярко выражена и на отдельных долготах расположена ближе к экватору, достигая 30 магнитной широты. Аналогичное поведение наблюдается и в эмпирической модели, но при менее резкой экваториальной границе.
Сравнение результатов моделирования возмущений термосферного состава с экспериментальными данными
Результаты проведенного исследования позволяют сделать заключение, что положительная фаза ионосферной бури создаётся термосферными ветрами, которые на средних широтах обуславливают подъем ионосферной плазмы слоя F2 вдоль силовых линий геомагнитного поля к высотам, где скорость рекомбинации ниже. На низких широтах эта обогащенная плазма двигается к экватору под действием направленных навстречу друг другу термосферных ветров, дующих от северных и южных высоких широт. В начальной фазе геомагнитного возмущения положительная ионосферная буря может быть обусловлена распространением от высоких широт перемещающихся ионосферных возмущений.
1. Возмущение концентрации атомарного кислорода по теоретической модели сильно отличается от MSISE-90 на ранних стадиях магнитной бури. Позже, в течение развития бури оно проявляет тенденцию приближаться к картине распределения, соответствующей модели MSISE-90 (рис. 8). MSISE-90 дает максимум возмущения [О] вблизи географического экватора во все моменты UT, тогда как в теоретических расчетах возмущение распространяется от авроральных широт к экватору.
2. Возмущение концентрации молекулярного азота ограничивается высокими широтами (выше 50 геомагнитной широты) и больше в зимнем полушарии, что подтверждается и теоретическими расчетами и моделью MSISE-90, хотя значения, полученные по MSISE-90, ниже (рис. 9).
3. Возмущение нейтрального состава (отношения [0]/[N2]) расположено в той же области, что и возмущение N2, но обратно по фазе. Значения отношения возмущенного и спокойного [0]/[N2] не превышают 1. ни в эмпирической модели MSISE-90, ни в наших расчетах по теоретической модели.
4. Положительная фаза ионосферной бури доминирует на дневной стороне в течение ранних стадий развития магнитной бури и является более интенсивной в зимнем полушарии (рис. 11 и рис. 14). Ее эволюция хорошо коррелирует с возмущениями скорости меридионального термосферного ветра, запаздывая на 1.5-2 часа (сравните картины представленные на рис. 14). Дополнительно вклад в положительную фазу ионосферной бури вносится за счет распространения перемещающихся ионосферных возмущений.
Проанализировав полученные результаты и сравнив их с данными эмпирической модели и экспериментальных наблюдений, можно сделать следующее заключение.
1. Возмущение отношения концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота при низкой солнечной активности в условиях солнцестояния ограничивается высокими широтами и демонстрирует выраженную сезонную зависимость. Так отношение [0]/[N2] в результате геомагнитной бури уменьшается в зимнем полушарии более чем в 25 раз, а в летнем- в 10раз.
2. Реакция ионосферных параметров также демонстрирует сезонную зависимость. На дневной стороне в зимнем полушарии отношение электронных концентраций в максимуме Р2-слоя в возмущенных и спокойных условиях составляет около 0.4 для отрицательного ионосферного возмущения и 1.3 для положительного. Соответствующие значения для летнего полушария составляют 0.55 и 1.15.
3. Главной причиной положительной фазы ионосферной бури является подъем и направленное к экватору перемещение ионосферной плазмы области F2 термосферными ветрами. Они двигают плазму средних широт вдоль силовых линий геомагнитного поля к высотам, где скорость рекомбинации ниже. В низких широтах эта обогащенная плазма сгоняется к экватору направленными навстречу друг к другу термосферными ветрами, дующими от северных и южных высоких широт. Вклад возмущений термосферного состава в формирование положительной ионосферной бури незначителен (практически отсутствует), по крайней мере, для промоделированных условий первых суток умеренной магнитной бури в январском солнцестоянии при низкой солнечной активности.
4. Сравнение результатов численных расчетов термосферного состава и данных эмпирической модели MSISE-90 показало, что теоретическая модель лучше отображает развитие возмущения, вызванного геомагнитной бурей. Кроме того, различаются и количественные оценки, полученные разными моделями. Возмущение согласно теоретическим расчетам превышает возмущение по эмпирической модели в 1.5 раз. Полученные в результате расчетов широтные профили возмущения [0]/[N2] хорошо согласуются с данными низкоорбитального спутника АЕ-С.
Ионосферно-термосферная динамика
Проведенное исследование термосферно-ионосферных эффектов геомагнитной бури в условиях высокой солнечной активности и сравнение полученных результатов с результатами расчетов для геомагнитной бури в условиях низкой солнечной активности (см. Глава III) показали, что вследствие повышенных фоновых нейтральной плотности и температуры нейтралов, обусловленных высокой солнечной активностью, относительное изменение [0]/[N2] в результате геомагнитной бури меньше по амплитуде по сравнению с изменениями в период низкой солнечной активности. Так, согласно проведенным расчетам [0]/[N2] уменьшается в результате магнитной бури при высокой солнечной активности в 3 раза, достигая значения 0.3. В случае же магнитной бури при низкой солнечной активности это уменьшение составило, для зимнего полушария более чем в 25 раз и в 10 раз для летнего. Кроме того, широтный градиент изменения [0]/[N2] в условиях высокой солнечной активности ниже и область с заметным уменьшением этого отношения проникает дальше в низкие широты по сравнению с результатами, полученным для низкой солнечной активности.
Далее, в условиях близких к равноденствию, термосферный UT-эффект более заметен, чем в условиях солнцестояния, и вносит вклад в запаздывание максимума термосферного эффекта относительно изменений электрического потенциала, обусловленных развитием бури. Отклик на магнитную бурю в нейтральных ветрах заметен в 1800 UT 3 апреля, то есть через 3 часа после резкого увеличения значения электрического потенциала. В термосферном составе максимальное уменьшение отношения [0]/[N2] на дневной стороне согласно проведенным расчетам образовалось в 2000 UT 4 апреля, то есть спустя 29 часов после начала магнитной бури. Первоначально максимальное возмущение проявилось на авроральных широтах, но через 12 часов достигло 40-50 геомагнитной широты. В течение первых 10 часов 4 апреля уменьшение [0]/[N2] на 60 геомагнитной широты составляло 40%, в течение следующих 10 часов это уменьшение достигло 70%.
Сравнение результатов теоретических расчетов нейтральной плотности со спутниковыми данными показали хорошее согласие, и применимость модели для моделирования поведения термосферы в геомагнитно -возмущенных условиях.
Результаты проведенного модельного исследования позволяют сделать заключение, что, как и в условиях низкой солнечной активности, при высокой солнечной активности основной причиной уменьшения электронной концентрации в высоких широтах является уменьшение отношения основных термосферных составляющих [0]/[N2]» но из-за высокой фоновой нейтральной плотности меридиональная компонента нейтрального ветра, вызываемая увеличением притока энергии к высоким широтам, не достигает значений, способных привести к образованию положительной ионосферной бури в низких широтах.
Сравнение теоретических расчетов критических частот Р2-слоя для разных долготных секторов с эмпирической моделью ионосферы IRI-2001 показало, что для азиатского долготного сектора в возмущенных условиях значения, полученные по теоретической модели, ближе к ионозондовым данным в течение 37% расчетного времени, а в спокойных условиях - 48%. Для европейского сектора: в возмущенных условиях - 24%, в спокойных -23%. Для американского: в возмущенных - 35%, а в спокойных - 52%. Из таб. 1 видна тенденция к завышению критических частот в IRI-2001 и их занижение в UAM.
Хотя в целом видно, что ионозондовые данные точнее воспроизводятся моделью IRI, для отдельных станций, и в частности, для станций, расположенных в американском долготном секторе, результаты расчетов по теоретической модели ближе к ионозондовым наблюдениям.
Временное развитие бури Результаты наших расчетов демонстрируют следующее. 1. Термосферная реакция на геомагнитное возмущение запаздывает по времени относительно изменений интенсивности бури в ходе ее развития. Максимальное возмущение [0]/[N2] образуется спустя время более суток. Первоначально оно возникает в высоких широтах и постепенно распространяется к средним широтам.
2. Запаздывание максимума термосферной реакции относительно изменений в электрическом потенциале может обуславливать запаздывание в восстановлении плазмопаузы после геомагнитной бури. Данный факт согласуется с измерениями скорости наполнения плазмосферы после геомагнитной бури, проводившимися на геостационарной орбите /64/, согласно которым на ранних этапах восстановления плазмосферы, составляющих примерно сутки геомагнитно спокойных условий после магнитной бури, скорость наполнения плазмосферы в 5 раза меньше скорости, наблюдаемой в более поздние моменты времени.
3. Во время геомагнитного возмущения за счет сжатия плазмы при ее электромагнитном дрейфе на ночной стороне за плазмопаузой образуется область, в которой значения температуры значительно превышают фоновый уровень. Существование этой области наблюдается экспериментально.
По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1. Возмущения термосферных параметров в условиях высокой солнечной активности по сравнению с возмущениями в условиях низкой солнечной активности менее интенсивны и распространяются дальше к экватору.
2. Даже в периоды равноденствия образуется межполушарная (относительно экватора) асимметрия в реакции термосферы на геомагнитное возмущение, обусловленная UT-эффектом. В температуре нейтрального газа эта асимметрия достигает 100К.
3. Реакция на геомагнитную бурю отношения концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота запаздывает относительно значений падения электрического потенциала. Это запаздывание составляет примерно сутки, и максимальная реакция раньше всего образуется в высоких широтах.
4. Измененный во время геомагнитной бури термосферный состав может задерживать восстановление электронной концентрации в плазмосфере до спокойного уровня, а, следовательно, сохранять положение плазмопаузы, характерное для возмущенных условий во время фазы восстановления геомагнитной бури.
