Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема ночных повышений концентрации плазмы в Г2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере Земли 10
1.1. Экспериментальные данные о ночных повышениях концентрации плазмы в Р2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере 10
Земли
1.1.1. Наблюдения, аномальных повышений концентрации электронов в ночной Б2-области среднеширотной ионосферы 10
1.1.2. Наблюдения ночных среднеширотных повышений концентрации плазмы в плазмосфере Земли 14
1.1.3. Выводы 16
1.2. Проблема механизма формирования ночных среднеширотных повышений концентрации плазмы 16
1.2.1. Физика ночной Р2-области ионосферы 16
1.2.2. Интерпретации аномальных ночных среднеширотных повышений NmF2uTEC 20
1.2.3. Интерпретации ночных среднеширотных повышений концентрации плазмы в плазмосфере 23
1.2.4. Выводы 24
Глава 2. Модель верхней атмосферы Земли (UAM) 25
2.1. Основные характеристики и структура модели верхней атмосферы Земли (UAM) 25
2.2. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы 27
2.2.1. Нейтральная атмосфера 27
2.2.2. Нижняя ионосфера (D, Е и F1 области ионосферы) 29
2.3. Блок Р2-области ионосферы и плазмосферы 30
2.4. Блок расчета электрического поля 32
2.5. Магнитосферный блок 33
2.6. Входные параметры модели 34
2.7. Методы решения моделирующих уравнений и численные сетки 35
2.8. Граничные условия 37
2.9. Начальные условия 38
2.10. Заключение к Главе 2 39
Глава 3. Пространственная структура ночных среднеширотных ОПЭК 41
3.1. Основные пространственные характеристики ночных среднеширотных ОПЭК 41
3.1.1. Модельные расчеты 41
3.1.2. Типы ОПЭК 42
3.1.3. Высотные масштабы ОПЭК 44
3.2. Исследование влияния гелио-геофизических условий на пространственную структуру ОПЭК 46
3.2.1. Зависимость от сезона, местного (LT-вариация) и мирового времени (UT-эффект) 46
3.2.2. Зависимость от солнечной активности 52
3.2.3. Зависимость от геомагнитной активности: геомагнитные бури 17-20 апреля 2002 года 52
3.3. Заключение к Главе 3 54
Глава 4. Исследование механизма формирования ночных ОПЭК в Р2-области ионосферы и в плазмосфере Земли 57
4.1. Сравнительное исследование влияния термосферного ветра и электромагнитного дрейфа на формирование ОПЭК 57
4.1.1. Модельные расчеты 57
4.1.2. Результаты модельных расчетов 58
4.2. Исследование влияния меридионального ветра на пространственную структуру ОПЭК 65
4.3. Исследование влияния электрического поля магнитосферного происхождения на пространственную структуру ОПЭК 72
4.4. Вариации ОПЭК и термосферных ветров в зависимости от гелио-геофизических условий, рассчитанные по различным версиям модели UAM 77
4.5 Исследование эффективности плазмосферы как источника поддержания ночной Р2-области ионосферы 85
4.6. Заключение к Главе 4 90
Заключение 92
Список литературы
- Наблюдения, аномальных повышений концентрации электронов в ночной Б2-области среднеширотной ионосферы
- Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы
- Исследование влияния гелио-геофизических условий на пространственную структуру ОПЭК
- Исследование влияния электрического поля магнитосферного происхождения на пространственную структуру ОПЭК
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из приоритетных направлений в современной геофизике является прогнозирование космической погоды, позволяющее на основе фундаментальных знаний о процессах, протекающих в верхней атмосфере Земли, предсказывать количественные и качественные изменения в ней в зависимости от гелио-геофизических условий. Для адекватного прогнозирования состояния верхней атмосферы Земли необходимо исследовать особенности тер-мосферно-ионосферно-магнитосферного взаимодействия.
Важным методом исследования и интерпретации экспериментальных данных в последнее время стал метод математического моделирования с использованием численных моделей, позволяющий описывать это взаимодействие, в той или иной степени полноты и адекватности (в зависимости от модели).
Несмотря на многолетние экспериментальные и теоретические исследования явлений и процессов, описываемых в терминах термосферно-ионосферно-магнитосферного взаимодействия, многие стороны этого взаимодействия остаются до конца не выясненными. Одной из таких сторон является проблема ночных областей повышенной электронной концентрации (ОПЭК) в Р2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере Земли, не имевшая до сих пор однозначного физического толкования.
Ночные ОПЭК в Р2-области среднеширотной ионосферы проявляются в виде максимумов в суточных и широтных вариациях критической частоты F2-слоя (foF2), максимальной электронной концентрации (NmF2) Р2-области ионосферы и полного электронного содержания в столбе единичного сечения (ТЕС -Total Electron Content). Наблюдались эти повышения во все сезоны (чаще зимой) преимущественно при спокойных геомагнитных условиях и обнаруживались практически всеми основными методами ионосферных измерений.
Наряду с явлением ОПЭК в Р2-области среднеширотной ионосферы ана
логичные повышения концентрации плазмы имеют место и в ночной плазмо
сфере Земли. Во все сезоны при различных уровнях солнечной активности про
фили зависимости ионных концентрации от і-параметра (L - параметр Мак-
Илвейна, геоцентрическое расстояние до вершины геомагнитной силовой линии,
выраженное в земных радиусах) имеют вблизи плазмопаузы слабо изученные
особенности, которые можно охарактеризовать как «структурированную» плаз-
мопаузу. Обнаруживались они с помощью наземных наблюдений свистящих ат-
мосфериков и спутниковых измерений. Ґ
ф 3
До настоящего момента времени измерения, охватывающие одновременно ОПЭК в Р2-области ионосферы и в плазмосфере Земли не проводились, а эти два вида повышений не сопоставлялись между собой.
Предлагавшиеся объяснения формирования ОПЭК в основном связывают с переносом замагниченной плазмы посредством нейтрального ветра и электрического поля. Эти интерпретации имели преимущественно качественный характер, либо основывались на результатах, полученных с использованием одномерных математических моделей. Но процессы переноса плазмы в совокупности являются существенно трехмерными, и с развитием компьютерных технологий актуальным стал переход к трехмерному моделированию взаимосвязанных процессов, ответственных за формирование ОПЭК.
Целью диссертационной работы является трехмерное математическое моделирование областей ОПЭК и изучение на его основе:
пространственной структуры (широтных, долготных и высотных вариаций этих областей) и механизма формирования ночных областей повышенной электронной концентрации в Р2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере Земли;
вариаций этих областей в зависимости от сезона, моментов мирового и местного времени, солнечной и геомагнитной активности.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
провести модельные расчеты глобальных трехмерных распределений электронной концентрации при различных гео- и гелиофизических условиях с использованием теоретической модели UAM и эмпирической модели ионосферы IRI-2001 и изучить на их основе пространственную структуру ОПЭК;
выявить вариации пространственных характеристик ОПЭК в зависимости от местного и мирового времени, сезонов, солнечной и геомагнитной активности;
провести модельные расчеты глобального распределения электронной концентрации с учетом и без учета ветрового увлечения и электромагнитного дрейфа плазмы;
определить на основе этих расчетов механизм формирования ночных ОПЭК в Р2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере Земли;
объяснить вариации ОПЭК на основе установленного механизма их формирования.
Метод исследования. Для исследования проблемы ночных ОПЭК в F2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере Земли применялся метод математического моделирования с использованием глобальной, трехмерной, нестационарной численной модели верхней атмосферы Земли (UAM - Upper Atmosphere Model), описывающей термосферу, ионосферу, плазмосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему. Модель охватывает диапазон высот от 60 км до 15# (Л- радиус Земли) геоцентрического расстояния и учитывает несовпадение геомагнитного и географического полюсов Земли. В модели UAM рассчитываются концентрации основных нейтральных и заряженных компонент атмосферы, температуры и скорости движения нейтрального, ионного и электронного газов, а также электрическое поле магнитосферного и термо-сферного происхождения путем численного интегрирования системы квазигидродинамических уравнений, описывающих законы сохранения частиц, импульса и энергии (уравнения непрерывности, движения и теплового баланса) и уравнения для потенциала электрического поля.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются корректностью постановки задач, метода их решения и согласием результатов численного моделирования с аналогичными результатами, полученными по эмпирической модели ионосферы IRJ-2001.
Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем.
Впервые описана пространственная структура ночных областей повышенной электронной концентрации (ОПЭК) с использованием как теоретической (UAM), так и эмпирической модели ионосферы (1RI-2001) в различных гелио-геофизических условиях (разные сезоны и уровни солнечной активности).
Установлен механизм формирования ночных ОПЭК и впервые выявлены особенности влияния процессов переноса ионосферно-плазмосферной плазмы, обусловленные их трехмерностью.
Впервые объяснены вариации ночных ОПЭК в зависимости от сезонов, моментов местного и мирового времени, солнечной и геомагнитной активности.
Научная и практическая значимость работы.
Результаты проведенных исследований важны для понимания сложных
взаимосвязанных процессов в системе термосфера-ионосфера-плазмосфера и представляют интерес с точки зрения изучения структуры и динамики ионосферы и плазмосферы Земли. Установление пространственной структуры и механизма формирования ночных ОПЭК в Р2-области среднеширотной ионосферы и в плазмосфере Земли позволяет корректировать характеристики распространения радиоволн через ночную ионосферу и правильно интерпретировать спутниковые данные.
Практическую ценность имеют полученные результаты и для развития самого метода математического моделирования, а именно их можно использовать для тестирования других теоретических моделей в части адекватного воспроизведения поведения ночной Р2-области ионосферы и плазмосферы Земли.
Результаты исследования могут найти применение в задачах космической навигации, радиолокации и связи, в учебных курсах и пособиях к ним по физике плазмы и космической геофизике.
На защиту выносятся:
Описание пространственной структуры ночных областей повышенной электронной концентрации (ОПЭК) в Р2-области среднеширотной ионосферы и плазмосфере Земли, полученное на основе анализа результатов наблюдений и численного моделирования. Выявлено существование двух типов ОПЭК в широтно-долготном распределении максимальной электронной концентрации в Р2-области ионосферы (NmF2): зимнего с максимумами в широтной и суточной вариациях NmF2 и летнего с максимумом только в широтной вариации. ОПЭК обоих типов простираются вдоль силовых линий геомагнитного поля в плазмосферу Земли.
Механизм формирования ОПЭК, основанный на влиянии широтно-неоднородных потоков плазмы из плазмосферы и ветровом увлечении ионосферной плазмы термосферным ветром.
Объяснения наблюдаемых сезонных и в цикле солнечной активности вариаций ОПЭК на высотах Р2-области ионосферы.
Личный вклад автора. Автор участвовала в постановке задач, провела теоретические расчеты с использованием модели UAM (во всех ее версиях), разработала методику расчета глобальных распределений максимальной концентрации электронов в Р2-области ионосферы по данным IRI-2001. Ею были проведены обработка, анализ и сопоставление результатов модельных расчетов ме-
жду собой. Автор диссертации принимала участие в обсуждении и подготовке публикаций полученных результатов, вошедших в диссертационную работу.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих Российских и международных конференциях: Всероссийской научно-технической конференции "Наука и образова-ние-2003" (Мурманск, 2003); Международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2004,2005,2006,2008,2009); XXVI-XXIX, XXXI и XXXII семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты 2003, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006); 6th и 7th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург 2006, 2008); IUGG XXIV General Assembly (Perugia, Italy, 2007).
Материалы диссертации были доложены и обсуждены на рабочем семинаре в КНЦ ПГИ РАН (г. Апатиты, Мурманская обл.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работы, из них 1 статья в журнале из перечня ВАК, 15 работ в трудах научных конференций и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения. Работа содержит 105 страницы текста, в том числе 23 рисунка и 1 таблица. Список цитируемой литературы содержит 139 наименований.
Наблюдения, аномальных повышений концентрации электронов в ночной Б2-области среднеширотной ионосферы
Впервые явление аномальных повышений концентрации плазмы в ночной F2-области среднеширотной ионосферы было описано Джиллиландом [Gilliland, 1935], обнаружившим по данным зондирования ионосферы, что в некоторые ночи в послеполуночные часы наблюдаются повышения значений критической частоты F2-cnoa (foF2), соответствующие увеличению электронной концентрации в максимуме Р2-слоя в более чем два раза.
Позднее, в 1964 году, по данным навигационного спутника Omicron І Арендтом и Сойчером [Arendt and Soicher, 1964] было открыто явление аномальных среднеширотных ночных повышений полного электронного содержания: на суточной вариации ТЕС четко виден максимум вблизи 01:30 местного времени с амплитудой повышения в два раза относительно фонового значения.
Ночные среднеширотные повышения NmF2 наблюдались с помощью радара некогерентного рассеяния в обсерватории Миллстоун Хилл [Evans, 1965, 1970; Richards et al., 19946; Buonsanto et al., 1999; Richards et al., 2000] и по данным среднеширотных ионозондовых станций, расположенных в обоих полушариях [Park, 1971; Emery et al., 1996; Richards et al., 2000; Mikhailov et al., 2000; Farelo et al., 2002]. На графиках зависимости NmF2 от LT (местного времени) эти повышения проявляются в виде пиков, приходящихся на предполуночные (вблизи 23:00-00:00 LT [Mikhailov et al., 2000; Farelo et al., 2002]) и/или послеполуночные часы (вблизи 02:00-04:00 LT [Evans, 1965; Richards et al., 19946; Emery et al., 1996; Buonsanto et al., 1999; Richards et al, 2000]). Амплитуды пиков соответствуют увеличению значений NmF2 относительно фоновых значений от 30-90 % до более, чем в 2 раза [Park, 1971; Richards et al., 19946; Buonsanto et al., 1999; Mikhailov et al., 2000]. Имеются случаи, когда наблюдаемые повышения NmF2 превышали фоновые значения в 8 раз [Mikhailov andForster, 1999; Richards et al., 2000]. Эвансом [Evans, 1965] было показано, что электронная концентрация увеличивается не только в максимуме Р2-слоя ионосферы, но и на всех высотах до 600 км.
Повышения ТЕС на средних широтах вблизи местной полуночи наблюдались по данным измерений угла поляризации радиосигналов со спутников Syncom 3 [Titheridge, 1968; Young et al., 1970], Canary Bird [Klobuchar et al., 1968] и радиомаяков ATS 1, 3 и 6 [Klobuchar et al., 1968; Young et al., 1970; Davies et al., 1979; Balan et al., 1986; Balan and Rao, 1987], по данным измерений доплеровского рассеивания радиосигналов со спутников навигационной системы ВМС США (NNSS) [Tyagi, 1974], по данным измерений фарадеевского вращения плоскости поляризации высокочастотного телеметрического сигнала с геостационарных спутников в северном полушарии ETS-2, GOES-2, -3 [Balan et al., 1991] и по данным измерений доплеровского сдвига сигналов навигационных спутников GPS (Navstar Global Positioning System) и спутника TOPEX/Poseidon [Horvath and Essex, 2000].
Амплитуды пиков соответствуют увеличению значений ТЕС относительно фоновых значений от 20% до 90 % [Young et al., 1970; Klobuchar et al., 1968; Balan and Rao, 1987; Balanetal., 1991].
На ночных зависимостях усредненного полного электронного содержания от геомагнитной широты ср аномальные повышения ТЕС видны в виде пиков на средних геомагнитных широтах в обоих полушариях (ср ±40) [Horvath and Essex, 2000]. Имели место также случаи, когда на зависимостях ТЕС от LT были видны два максимума: первый - вблизи местной полуночи, второй - вблизи 03:00 LT [Bertin and Lepine, 1970; Davies et al., 1979; Rao et al., 1982; Balan and Rao, 1987; Lois et al., 1990; Jakowski et al., 1991; Joshi and Iyer, 1990].
Наряду с исследованиями, напрямую посвященными аномальным ночным среднеширотным повышениям NmF2 и ТЕС, имеются работы, косвенно касающиеся этих явлений. Представленные в таких работах экспериментальные данные содержат рассматриваемые нами особенности ночных широтных вариаций NmF2 и ТЕС, но авторы не сосредотачивают на них внимание.
Например, эти повышения имеют место на графиках зависимости NmF2 и ТЕС от LT по экспериментальным данным различных типов: радара некогерентного рассеяния [Richards et al., 1994а; Buonsanto, 1995; Anderson et al., 1998] и интерферометра Фабри-Перо в Миллстоун Хилл [Buonsanto et al., 1997], по данным приемных ионозондовых среднеширотных станций в обоих полушариях [Wilkinson et al., 1996; Richards and Wilkinson, 1998; Wang et al., 2001].
Использование сети спутников GPS позволяет реконструировать глобальное распределение полного электронного содержания для конкретной даты и момента времени UT. Такое представление данных, в свою очередь, позволяет оценить двумерные (широтно-долготные или широтно-временные) вариации ТЕС.
На глобальных картах в географических (или геомагнитных) координатах широта-долгота (или местное время), полученных по данным со спутников GPS [Wilson et al., 1995; Davies and Hartmann, 1997; Ho et al., 1996, 1998; Brunini et al., 2003] и со спутника TOPEX/Poseidon [Jee et al., 2004], ночные среднеширотные области повышенных значений ТЕС вытянуты в зональном направлении с вечера на утро и располагаются на геомагнитных широтах 25-45. Соответствующие им увеличения ТЕС относительно фоновых значений составляют от 20 % до 90 % .
Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы
Исследования аномальных ночных повышений концентрации плазмы в среднеширотной Р2-области ионосферы и в плазмосфере Земли проводилось в диссертации методом математического моделирования с помощью модели UAM [Намгаладзе и др., 1988, 1990, 1996, 1998; Namgaladze et al., 1988, 1991, 1998а, 19986], учитывающей все особенности проблемы.
Модель верхней атмосферы Земли (UAM - Upper Atmosphere Model) является глобальной, трехмерной, нестационарной численной моделью, описывающей термосферу, ионосферу, плазмосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему. Модель охватывает диапазон высот от 60 км до 15RE геоцентрического расстояния и учитывает несовпадение геомагнитного и географического полюсов Земли.
В модели UAM с помощью численного интегрирования системы квазигидродинамических уравнений, описывающих законы сохранения частиц, импульса и энергии (уравнения непрерывности, движения и теплового баланса), рассчитываются концентрации основных нейтральных (02, N2, О) и заряженных 0ОҐ, 0+, Н+ и электронов) компонент верхней атмосферы, температуры нейтрального, ионного и электронного газов, скорости движения заряженных и нейтральных частиц. В совокупности с ними в модели решается уравнение для потенциала электрического поля магнитосферного и термосферного динамо-происхождения.
В соответствии с различием газового состава, действующих сил и процессов в верхней атмосфере Земли, модель UAM состоит из четырех основных блоков, между которыми осуществляется обмен информацией: 1) блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы, в котором рассчитываются газовый состав, массовая плотность и температура нейтрального газа (Г„), скорость термосферного ветра, ионная (Г,) и электронная (Те) температуры, суммарная концентрация молекулярных ионов и скорость их движения в диапазоне высот от 60 км до 520 км (п. 2.2); 2) блок F2-o6nacmu ионосферы и верхней ионосферы, в котором рассчитываются концентрации атомарных ионов О и Н+, их скорости движения и температуры Те и Т, в диапазоне высот от 175 км до геоцентрического расстояния 15RE (п. 2.3); 3) блок расчета электрического поля, в котором рассчитывается потенциал электрического поля магнитосферного и термосферного (динамо) происхождений (выше 175 км предполагается, что силовые линии геомагнитного поля эквипотенциальны) (п. 2.4) и 4) магнитосферный блок, в котором рассчитываются ионные плотность, скорость и давление в магнитосферном плазменном слое и продольные (вдоль силовых линий геомагнитного поля) токи (п. 2.5).
Так как на нейтральные частицы электромагнитные силы непосредственно не действуют, а молекулярные ионы на высотах Е и F1-областей ионосферы не замагничены в блоке нейтральной атмосферы и нижней ионосферы используется сферическая геомагнитная система координат. На высотах F2-o6nacm ионосферы, плазмосферы и внутренней магнитосферы Земли частоты столкновений ионов с нейтральными частицами много меньше ионных гирочастот, ионы полностью замагничены, поэтому в блоке F2-области ионосферы и верхней ионосферы используется магнитная дипольная система координат.
Уравнения модели численно решаются методами конечных разностей. В зависимости от характера описываемых процессов используются различные пространственные сетки численного интегрирования. Шаги интегрирования по широте, долготе и времени могут изменяться в соответствии с решаемой задачей и различаться между блоками.
За последнее время модель UAM модифицирована - в нее полностью интегрированы эмпирические модели ионосферы ПИ-2001 fBilitza, 2001], нейтральной атмосферы NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002] и нейтрального ветра HWM-93 [Hedin et al., 1996]. Последняя версия модели UAM позволяет получать значения параметров термосферы или ионосферы из этих эмпирических моделей в любой комбинации и, используя их, рассчитывать недостающие. Такой подход расширяет возможности ее применения как с целью проверки адекватности самой модели UAM и других, инкорпорированных в нее, а также для прогноза космической погоды в реальном времени при наличии соответствующих измерительных комплексов, проводящих непрерывный мониторинг параметров околоземной среды, используемых в качестве управляющих параметров модели.
Модель UAM позволяет также отключать те или иные процессы, влияющие на распределения параметров верхней атмосферы. Как правило, это реализуется путем исключения из уравнений членов, отвечающих за учет того или иного процесса. Такой подход позволяет оценить вклад отключаемого процесса в общее распределение параметров атмосферы. Это крайне важно для исследования поведения ночных аномальных повышений концентрации плазмы в среднеширотной Р2-области ионосферы и плазмосфере Земли, так как эти возможности применения модели UAM позволяют оценить относительные роли различных физических факторов в процессе формирования этих повышений.
Так как в диссертации рассматриваются особенности пространственно-временных распределений концентрации электронов в Р2-области ионосферы и плазмосфере Земли, необходимо более детально описать решаемые в модели UAM уравнения, с помощью которых эти распределения рассчитываются.
Выражения для сечений и констант отдельных процессов можно найти в книге [Брюнелли и Намгаладзе, 1988] и в статьях [Намгаладзе и др., 1988, 1990, 1996, 1998; Namgaladze et al., 1988,1991,1998а, 19986].
Ионизованные частицы образуются из нейтральных, общая масса которых в 1012-10 раз превосходит общую массу заряженных частиц, на поведение которых влияют состав и динамика нейтральной атмосферы, описываемые уравнениями, решаемыми в разделе нейтральной атмосферы в первом блоке.
В этом разделе рассчитываются концентрации п„ основных компонент нейтрального газа No, О2 и О, массовая плотность р, температура нейтрального газа Т„ и компоненты вектора скорости термосферного ветра V для диапазона высот от 60 км до 520 км.
Исследование влияния гелио-геофизических условий на пространственную структуру ОПЭК
Из анализа статей (п. 1.1) по аномальным ночным повышениям концентрации плазмы в среднеширотной Р2-области ионосферы и в плазмосфере Земли следует, что эти повышения наблюдались во все сезоны. При этом сведения о наблюдаемых вариациях параметров ОПЭК, в основном, касались времени их появления, продолжительности существования и амплитуды повышений соответствующих параметров.
Для исследования зависимости пространственной структуры ОПЭК от сезонов, местного и мирового времени продолжим рассмотрение результатов модельных расчетов, описанных в разделе 3.1.1 и представленных в виде карт Lg(NmF2) в геомагнитных координатах широта - долгота, выраженная в часах местного магнитного времени (MLT), построенных для моментов мирового времени (UT) 06:00, 12:00, 18:00 и 24:00 UT для разных сезонов.
Различия между сезонами определяются положением Солнца (подсолнечной точки) относительно географического экватора. Наиболее ярко сезонные эффекты проявляются в условиях солнцестояния, когда подсолнечная точка максимально смещена относительно географического экватора в летнее полушарие. Однако для замагниченной плазмы F2-области ионосферы не менее существенно положение подсолнечной точки относительно геомагнитного экватора.
За счет несовпадения геомагнитной и географической осей Земли положение подсолнечной точки может иметь дополнительное смещение относительно геомагнитного экватора в зависимости от момента времени UT (UT-эффект). Вследствие этого, в геомагнитной системе координат UT-эффект может усиливать сезонные вариации, или в какой-то мере компенсировать их.
Вернемся к рисунку 3.1, на котором представлены два варианта положения подсолнечной точки (обозначена черным кружком) в условиях солнцестояний (23.12.1985 и 23.06.1986) в геомагнитной системе координат (верхний ряд). На картах видно, что положение подсолнечной точки для выбранных моментов времени UT оказывается максимально смещенным относительно геомагнитного экватора в летнее полушарие ( 37 по геомагнитной широте): сумма смещений Солнца относительно географического экватора и последнего относительно геомагнитного экватора. Отличие представленных карт заключается в том, что для декабрьской даты подсолнечная точка смещена в южное полушарие, для июньской - в северное.
На этом же рисунке представлены широтно-долготные распределения Lg(NmF2) в ночном секторе MLT (от 18 до 6 часов), рассчитанные по эмпирической модели ионосферы IRI-2001 (средний ряд карт) и по теоретической модели UAM (нижний ряд карт) для этих же дат и моментов UT. На всех картах штриховыми линиями нанесены геомагнитный и географический экваторы, полуденно-полуночный меридиан и линия терминатора.
В обоих вариантах расчетов ночные среднеширотные ОПЭК в условиях солнцестояний видны в обоих полушариях, но в них проявляется сезонная асимметрия: в летнем полушарии эти области выглядят как «хребты с понижающейся вершиной» (первый тип ОПЭК), а в зимнем как «холмы» (второй тип ОПЭК). Значения NmF2 в ОПЭК в летних условиях выше, чем в зимних.
По UAM широтное положение ОПЭК близко к симметричному относительно геомагнитного экватора. По ШІ-2001 в широтном положении этих областей проявляются сезонные различия: в летнем полушарии ОПЭК оказываются расположенными дальше от геомагнитного экватора, чем в зимнем.
Рассмотрим зависимость ОПЭК от местного времени с учетом UT-эффекта. По ШІ-2001 в летнем геомагнитном полушарии ОПЭК смещаются с более высоких геомагнитных широт ( 40) на более низкие широты ( 20) при переходе от вечерних часов к утренним. В зимнем полушарии отчетливо видно смещение в обратном направлении: с широт 30 на широты 40.
Результаты расчетов по UAM воспроизводят такой характер зависимости ОПЭК от момента времени MLT, но степень выраженности слабее, чем по ШІ-2001. Рассмотрим условия равноденствия.
На рис. 3.3. представлены в формате, аналогичном предыдущему, два варианта положения подсолнечной точки (обозначена черным кружком) в условиях равноденствия (22.09.1986) (верхний ряд) для моментов времени UT 12:00 (слева) и 18:00 (справа). В момент времени UT 12:00 подсолнечная точка практически не смещена относительно геомагнитного экватора, т.е. условия симметричной освещенности обоих полушарий выражены максимально. В момент времени UT 18:00 подсолнечная точка смещена на 10 по геомагнитной широте в северное полушарие.
На этом же рисунке, как и на рис. 3.1, представлены широтно-долготные распределения Lg(NmF2) по ГОІ-2001 (средний ряд карт) и по UAM (нижний ряд карт). Формат аналогичен.
В результатах расчетов по UAM для обоих моментов времени UT ОПЭК практически симметричны (по широтному положению относительно геомагнитного экватора и значений NmF2 в этих областях). В результатах по ГОІ-2001 ОПЭК отчетливо видны только в северном полушарии, и отсутствуют в южном, что, скорее всего, объясняется меньшим числом пунктов регулярных ионосферных наблюдений в южном полушарии по сравнению с северным.
Исследование влияния электрического поля магнитосферного происхождения на пространственную структуру ОПЭК
Анализ результатов численных экспериментов по исследованию влияния электрического поля магнитосферного происхождения на пространственные характеристики ОПЭК представлен в работах [Князева и Намгаладзе, 2005а, б].
В разделе 4.1 было установлено, что электромагнитный дрейф не является причиной формирования ОПЭК, а влияет только на положения и крутизну приполюсных и приэкваториальных «стенок» этих областей.
В расчетах, описанных в пп. 4.1.1, разность потенциалов через полярную шапку Аїр, определяющая величину электрического поля магнитосферного происхождения, не являлась постоянной. Для вычисления А р использовались аппроксимации, предложенные в работе [Weimer et al., 1990], описывающие зависимость разности потенциалов через полярную шапку отАЕ индекса геомагнитной активности (Глава 2, п. 2.4).
Для того, чтобы детальнее исследовать влияние электрического поля магнитосферного происхождения на ОПЭК, были проведены расчеты глобального распределения концентрации электронов по модели UAM-MSIS, в которых разность потенциалов через полярную шапку имела различные, но постоянные в течение расчета значения: 1) А р = 20 кВ, с термосферным ветром и электромагнитным дрейфом; 2) Аср = 20 кВ, без ветра, с дрейфом; 3) Аср = 60 кВ, с ветром и дрейфом; 4) Ац = 60 кВ, без ветра, с дрейфом. Скорость электромагнитного дрейфа определялась распределением напряженности электрического поля E = —Vg). В расчетах с ветром (1 и 3) учитывалось поле динамо- и магнитосферного происхождений, в расчетах без ветра (2 и 4) - только поле магнитосферного происхождения.
Процессы отключения термосферного ветра и электромагнитного дрейфа осуществлялись аналогично способу, описанному в пп. 4.1.1.
Начальные условия, численная пространственная сетка и шаги интегрирования по времени для всех вариантов модельных расчетов были такие же, как и в расчетах, описанных в пп. 4.1.1.
Рассмотрим широтно-долготные распределения зонального электрического поля на высоте 175 км (4.9) и соответствующие им широтно-высотные распределения Lgfrig) вдоль магнитного меридиана MLT=01:30 для диапазонов высот от 200 до 1000 км (рис. 4.10а) и от 800 до 3000 км (рис. 4.106) для момента 24:00 UT. В левом столбце представлены результаты расчетов (1) и (2) с постоянной разностью потенциалов через полярную шапку Aq)=20 кВ, в правом - расчетов (3) и (4) с А р=60 кВ. В верхнем ряду представлены варианты расчетов с дрейфом и ветром, в нижних - с дрейфом, без ветра.
В расчетах (1) и (3) с ветром зональное электрическое поле динамо-происхождения в предполуночные часы на средних широтах направлено на восток, в послеполуночные часы оно меняет направлением на западное. В расчетах (2) и (4) без ветра области зонального восточного электрического поля отсутствуют и в ночном секторе от 18 до 03:30 часов MLT на средних широтах поле направлено на запад.
Увеличение разности потенциалов через полярную шапку приводит к увеличению зональной компоненты электрического поля, за счет увеличения его составляющей магнитосферного происхождения, и не сказывается принципиально на величине среднеширотного ПОЛЯ.
Как и в предыдущих расчетах, ОПЭК видны только в вариантах расчета (1) и (3) с ветром (верхние разрезы на рис. 4.10а-б), в вариантах расчетов (2) и (4) без ветров эти области отсутствуют (нижние разрезы на рис. 4.10а-б).
При сравнении результатов расчетов с постоянными разностями потенциалов через полярную шапку 20 кВ и 60 кВ видно, что усиление электрического поля магнитосферного происхождения влияет на ОПЭК со стороны высоких широт: чем сильнее зональное электрическое поле, тем сильнее изолинии поджимаются с полюсов. Это объясняется смещением главного ионосферного провала к более низким широтам, что подтверждается наблюдениями сдвигов пиков в ТЕС на более низкие широты в возмущенных условиях [Balan et al., 1991].
Анализ результатов численных экспериментов по исследованию влияния различных гелио-геофизических условий на пространственные характеристики ОПЭК представлен в работах [Князева, 2003; Князева и Намгаладзе, 2006; Намгаладзе и др., 2003; Knyazeva and Namgaladze, 2006, 2007, 2008].
В Главе 3 в разделе 3.2 были установлены вариации пространственной структуры ОПЭК в зависимости от сезонов, моментов UT и LT, связанные главным образом со смещением подсолнечной точки относительно географического и геомагнитного экваторов, а также в зависимости от уровней солнечной и геомагнитной активностей. В разделе 4.1 установлено, что в механизме формирования ОПЭК главным является ветровое увлечение плазмы. Следовательно, можно предположить, что все вариации ОПЭК должны определяться соответствующими вариациями меридионального ветра, как главного формирующего фактора.
Вернемся к модельным расчетам глобальных распределений электронной концентрации в F2-o6nacra ионосферы по модели UAM с «теоретической» моделью термосферы (далее UAM) для отобранных восьми дат, относящихся к спокойным геомагнитным условиям и представляющих четыре сезона при высокой и низкой солнечной активности, которые были описаны в Главе 3 в пп. 3.1.1.
Для исследования влияния меридионального ветра на вариации ОПЭК были дополнительно проведены для этих же дат модельные расчеты с использованием модели UAM: 1) совместно с эмпирической моделью термосферы NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002] (далее UAM-MSIS) и 2) совместно с MSIS и эмпирической моделью горизонтального нейтрального ветра HWM-93 [Hediri et al., 1996] (далее UAM-MSISE-HWM).
Эти варианты модельных расчетов отличаются способом вычисления скорости термосферного ветра и состава нейтрального газа. В варианте UAM термосферные состав и циркуляция рассчитываются из уравнений движения, непрерывности и теплового баланса для нейтральной атмосферы, описанных в Главе 2 в пп. 2.2.1 (так называемый «ветер по UAM»). В варианте UAM-MSIS состав и трехмерная циркуляция нейтрального газа вычисляются по модели MSIS (скорость ветра рассчитывается из уравнения движения (2.4), исходя из эмпирических данных о градиентах давления нейтрального газа - так называемый «ветер по MSIS»). В варианте UAM-MSIS-HWM состав нейтральной атмосферы рассчитывается по модели MSIS, скорость горизонтального ветра рассчитывается по модели HWM-93, а вертикальная составляющая скорости термосферного ветра рассчитывается из уравнения непрерывности для полной массовой плотности нейтрального газа (так называемый «ветер по HWM»).
