Моделирование высокоширотной ионосферы в спокойные и возмущенные геомагнитные периоды

2
Содержание
Введение................................................... 5
1. Современное состояние проблемы моделирования высокоширотной ионосферы 13
1.1. К рупномасштабные особенности высокоширотной ионосферы по данным внешнего и наземного зондирования ................................................ 13
1.1.1. Главный ионосферный провал................. 13
1.1.2. Провал легких ионов........................ 19
1.1.3. Полярная полость........................... 20
1.1.4. Ионосферные бури в области Р2 ............. 23
1.2. Математическое моделирование высокоширотной ионосферы .............................................. 30
1.3. Теоретические исследования высокоширотной ионосферы ................................................. 37
1.3.1. Климатологическое моделирование............ 38
1.3.2. Моделирование отклика ионосферы на магни-
госферные бури.............................. 42
1.4. Выводы............................................ 45
2. Математическая модель высокоширотной ионосферы 48
2.1. Гидродинамические уравнения ...................... 48
2.1.1. Система координат.......................... 48
2.1.2. Коротация плазмы........................... 51
2.1.3. Траектории конвекции....................... 52
2.1.4. Уравнения непрерывности и движения тепловых ионов 53
2.1.5. Уравнения теплового баланса................ 59
2.1.6. Расчет скорости тсрмосферного ветра........ 61
2.1.7. Скорость ионизации высыпающимися электронами ............................................. 63
з
2.1.8. Численный алгоритм решения............... 63
2.2. Выбор исходных данных к ионосферной модели .... 66
2.2.1. Параметры нейтральной атмосферы и спектры ультра-фиолетового излучения Солнца . . 66
2.2.2. Модель электрического поля магнитосферной конвекции ......................................... 67
2.2.3. Эмпирическая модель высыпаний энергичных электронов....................................... 68
2.3. Выводы.......................................... 69
3. Механизмы образования крупномасштабных неоднородностей в высокоширотной ионосфере 71
3.1. Описание численного эксперимента .................. 71
3.2. Сравнение механизмов формирования главного ионосферного провала в геомагнитно-спокойных условиях 73
3.3. Тепловая структура высокоширотной ионосферы . . 78
3.4. Моделирование крупномасштабной структуры высокоширотной ионосферы на высотах максимума Р2-слоя 82
3.4.1. Электронная концентрация в высокоширотной ионосфере.......................................... 82
3.4.2. Электронная концентрация в полярной полости 86
3.4.3. Температура ионов и электронов на высоте
300 км....................................... 91
3.5. Широтная структура ионного состава внешней ионосферы ................................................. 97
3.6. Сравнение Ne с измерениями /qF2....................103
4. Моделирование отклика ионосферы на геомагнитную бурю 22 марта 1979 г. 106
4.1. Характеристика магнитосферной бури 22 марта 1979 г. 106
4.2. Характеристика ионосферной бури по наблюдениям
f0F2...............................................108
4.3. Магнитосферные входные параметры ..................111
4.4. Результаты моделирования ..........................113
Заключение.................................................119
13
Главг1 1. Современное состояние проблемы моделирования высокоширотной ионосферы
1.1. Крупномасштабные особенности высокоширотной ионосферы по данным внешнего и наземного зондирования
Объектом исследования настоящей работы является высокоширотная ионосфера. Термин ’’высокоширотная ионосфера” достаточно часто используется для обозначения ионосферы с геомагнитными широтами больше 50°.
Высокоширотная ионосфера существенно отличается от ионосферы среднеширотной, геомагнитная широта которой меньше 50°, поскольку связана с магнитосферой. Потоки частиц и электрические ноля, возникающие в магнитосфере, проникают в ионосферу и там влияют на образование, гибель и перенос заряженных частиц.
В настоящее время установлено, что высокоширотная Р-область ионосферы в значительной мере характеризуется следующими структурными особенностями: главный ионосферный провал, или среднеширотный пропал; авроралып.те пики ионизации; полярная полость; провал легких ионов.
1.1.1. Главпый ионосферный провал
Регулярное понижение электронной концентрации на высотах максимума Р2 в ее широтном распределении от 50° до 60° было впервые обнаружено при ионосферном зондировании сверху со спутника ”А1оиНе-1” [1] и названо главным ионосферным провалом (ГИП).
Анализ последующих измерений электронной концентрации на спутниках
”А1ои«е-1” и ”А1оиПе-2” [2, 3], ”Ехр1огег-22” [4], ”Апе1-3” и ”Апе1-4” [5, 6, 7], на спутниках серии ’’Космос” и "Интеркосмос” [8-13], ”1518-1” и ”1515-2” [14, 15], ”Е5КО-4” [16], ”АЕ-С” [17], а также
и
наземных наблюдений [18, 19, 20] позволил установить основные зависимости положения и структуры провала от времени суток, сезона, уровня магнитной активности и исследовать связь этих характеристик с динамикой состояния магнитосферной плазмы. Основные полученные результаты заключаются в следующем:
1. Ионосферный провал - постоянно существующее образование внешней ионосферы, наблюдается как в ночные, гак и в дневные часы во все сезоны. Вблизи полуночи местного времени (ЬТ) провал наблюдается в 90% случаев, в восходно-заходные часы - в 60%, а около полудня - примерно в 50% случаев.
На высотах максимума слоя Г2 провалы наблюдаются при зенитных углах больше 90=. На основе анализа спутниковых измерений было установлено, что летом ГИП регулярно наблюдается в спокойных условиях только в минимуме фоновой концентрации в северном полушарии на долготах от 210° до 270°, а в южном полушарии - от 30° до 60% причем ГИП лучше выражен в южном полушарии [21].
2. Структура провала определяется положением и конфигурацией экваториальной и полярной стенок провала. Разность их широт характеризует ширину провала, а отношение электронной концентрации на стенках и на соответствующих границах основания провала определяет глубину экваториальной и полярной стенок пропала.
Положение минимума провала показывает существенные суточные вариации, мало меняющиеся с сезоном и в цикле солнечной активности. С изменением геомагнитной активности положение минимума провала смещается в экваториальном направлении примерно на 2° на единицу Кр. На основе анализа данных спутников ”Космос-900” и ’’Интеркосмос-19” получено, что долготные изменения инвариантной широты минимума главного ионосферного провала на высоте максимума Г2-слоя являются устойчивой, т.е. регулярно наблюдаемой характеристикой ночной зимней ионосферы [22].
Форма главного ионосферного провала существенно изменяется в цикле солнечной активности [23, 24, 25]. В периоды высокой солнечной активности полярная стенка провала намного круче эк-