2
С О ДЕР И Н ИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 4
1. ОСОБЕННОСТИ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ
ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРАЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРНОЙ
ПЛАНДЫ НА ВЫСОТАХ ОБЛАСТИ Р.............................. 7
1.1 Состав и концентрация нейтральных частиц........... 7
1.2 Ионный состав и их концентрация....................... 14
1.3 Концентрация электронов по данным прямых и
косвенных измерений................................... 19
1.4 Особенности проявления ионосферных возмущений... 28
2. ЭМПИРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ Р
ОБЛАСТИ НА ПЕРЕХОДНЫХ ШИРОТАХ.............................. 43
2.1 Расчёты ПеО) - профилей с учетом х-й компоненты Е и Р облаотей..................................... 43
2.2 ГЦ. (К) - профили нижней ионосферы и во время
солнечного затмения................................... 54
2.3 Построение полного профиля электронной концентрации на переходных широтах................................ 59
2.3.1 Дневное время......................................... 63
2.3.2 Неосвещенное время.................................... 69
2.4 Долготные особенности ионизации Р области 78
2.4.1 Долготные особенности ионизации по данным ионосферных станций западного и восточного полушарий 79
2.^.2 Особенности долготного изменения ионосферной
Р области переходной зоны в северо-восточном спектре............................................... 89
2.5 Вывод ы............................................... 98
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОТНО-ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ПАРАМЕТРОВ
Р ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ НА ПЕРЕХОДНЫХ ШИРОТАХ.................. 100
3
3.1 Основные уравнения,описывающие поведение
Р области ионосферы............................... 100
3.2 Численное решение системы уравнений Р
области ионосферы................................. 113
3.3 Модельные исследований спокойной и возмущенной ионосферы........................................ 118
3.3.1 Спокойные условия................................ 118
3.3.2 Возмущенные условия.............................. 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 146
ЛИТЕРАТУРА....................................................... 148
4
ВВЕДЕНИЕ
Широкое использование высотных профилей электронной концентрации в решении практических задач по распространению радиоволн и вопросах моделирования ионосферных процессов потребовало тщательного изучения закономерностей пространственно-временного изменения этого параметра для различных периодов суток и условий гелио-геофизической активности. Однако систематизация п^(Ь) -профилей представляется трудной задачей, поскольку особенности поведения ионизации регулируются влияниями сложного комплекса физико-химических процессов. При этом наиболее важная роль принадлежит процессам ионизации и разогрева, обусловленными как действием ультрафиолетового) излучения Солнца, так и вторжением корпускул. Если интенсивность первого источника растет к экваториальным широтам, то влияние второго усиливается по мере продвижения к полярным широтам. Подобная географическая закономерность поглощения энергии этих источников, в основном, ответственна за существование широтных вариаций параметров ионосферной плазмы на высотах 200-400 км.
Картина широтных вариаций параметров атмосферы на ионосферных высотах создаётся,однако, не только вышеупомянутыми факторами. В частности, над экваториальной зоной под действием струйного тока и меридионального магнитного поля возникает интенсивный вертикальный дрейф электронно-ионного газа,что вызывает существенное перераспределение ионизации. А высокоширотная ионосфера наряду с электродинамическими процессами испытывает воздействие потоков заряженных частиц. Вторжение частиц в авроральную область вызывает не только повышение ионизации, но и разогрев ионосферы, что в свою очередь меняет характер ветровой системы. Эти и другие специфические явления существенно усложняют изучение физики и разра-
5
ботку экспериментальных и теоретических моделей Р области ионосферы.
Ионосфера в интервале геомагнитных шрот 20°-40°,названных нами базовыми или переходными широтами, наиболее свободна от вышеупомянутых вторичных эффектов. Высотно-временные изменения электронной концентрации в этой зоне регулируются в основном внутренними аэрономическими и диффузионно-динамическими процессами и лишь частично испытывают воздействия процессов,происходящих в высоких широтах. Поэтому изучение физики Р области на переходных широтах приобретает особый научный и практический интерес. С одной стороны, полученные при этом результаты могут быть весьма полезны в более углубленном изучении физики Р области вообще,а, с другой стороны, разработанные на их основе модели имеют прогностическое значение. При этом, говоря о моделях, следует сказать, что в последние годы разработан ряд эмпирических, теоретических и гибридных моделей ионосферы. Однако в условиях все возрастающего требования к надёжности и качеству радиопрогноза проблема дальнейшего углубления модельных представлений параметров ионосферы остаётся одной из актуальных направлений ионосферных исследований.
Целью данной работы является комплексное экспериментальное и теоретическое изучение физики и разработка соответствующих моделей Г области ионосферы на переходных широтах.
Научная новизна работы.
I. Предложен оригинальный способ расчета Пе(Ь) - профилей, позволяющий в несколько раз сократить трудоёмкую работу по подготовке и вводу первичных радиофизических данных в ЭВМ. Показано, что использование метода уплотнённой записи чисел и компактной схемы Гаусса позволяет существенно ускорить вычислительный процесс в реализации алгоритмов численного решения системы диф-
6
ференциальных уравнений Р области ионосферы..
2. Проанализирован обширный экспериментальный материал,полученный в результате машинной обработки ионосферных данных станции "Ашхабад".
3. Заработаны и созданы эмпирическая и теоретическая модели Р области ионосферы на переходных широтах для спокойных и возмущенных условий.
Научная и практическая ценность работы заключается в том,что полученные результаты могут быть использоЕаныгв расчетах траектории распространения радиоволн и в прогнозе радиосвязи,в повышении эффективности использования машинного времени в ионосферных исследованиях, в разработке более общей теории образования Р области ионосферы и при интерпретации различных физических явлений в ближнем космосе.
_ На защиту выносятся:результаты комплексного изучения широтной и долготной особенностей ионизации Р области ионосферы,предложенные способы повышения эффективности использования ЭВМ в ионосферных исследованиях,разработанные эмпирическую и теоретическую модели Р области на переходных широтах и результаты приложений,разработанной теоретической модели к интерпретации некоторых геляо-гео-физических явлений.
Рассмотренные в диссертации задачи входят в план научно-исследовательских работ лаборатории ионосферных исследований ФТИ АН ТССР.
В первой главе исследуются широтные особенности структурных параметров нейтральной атмосферы и ионосферной плазмы. Во второй главе построена эмпирическая модель электронной концентрации, и исследованы высотно-временные и долготные особенности Р области ионосферы. Результаты теоретических модельных исследований особенностей высотро-временных вариаций электронной концентрации и других параметров ионосферы приводятся в третьей главе работы.
7
I. ОСОБЕННОСТИ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРАЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА ВЫСОТАХ ОБЛАСТИ Г
В последние годы были произведены запуски целого ряда специализированных геофизических ракет и спутников Земли, предназначенных для измерения параметров верхней атмосферы. Они позволили получить значительные по объёму и более качественные экспериментальные данные о составе и концентрации нейтральных и ионизированных частиц. Использование этих данных в определенной степени позволяет нам судить о широтной вариации изучаемых параметров.
1.1 Состав и концентрация нейтральных частиц
В таблице 1.1 приводятся относительные значения концентрации нейтральных частиц, определённые по экспериментальным данным, приведенным в [74] . Модельные значения получены для тех же высот,что и экспериментальные данные.
Таблица 1.1
Относительные значения концентрации нейтральных частиц для возмущенного дня 12 февраля 1974 г.
7 | • 1 1
Км | 418 1 256 1 170 ; 169 ; 250 | 407
ьт 13.00 К . О о 12.00 11.00 10.00 08.00
II 24 38 51 62 68
ВДЭ/ВД„ ~ 1,30 1,30 1,35 1,55 2,80 35,00
Ю+20г]а/[0+%- 1,15 1,35 1,30 1,00 0,55 0,76
№],/Мг]„ 1,30 1,70 2,00 13,50 уве-ся
[Не]э/[Не]м ^ 1,00 1,20 1,20 1,00 0,43 0,38
ВД]э “ результат экспериментального измерения, [1Уа] -
модельные данные.
8
Легко видеть,что концентрация тяжелых частиц и Аї заметно повышается к высоким широтам ( 40°)$ в то время как
соответствующие значения [0] и [Не] , наоборот, уменьшаются к этим широтам почти в два раза. Эту же закономерность можно наблюдать из графических данных относительных значений концентрации частиц для периода от 9 до 16 февраля 1974 г., построенных самими авторами [74] .
Отметим, что описанная выше картина широтного распределения концентрации составляющих характерна также для спокойных условий ночного времени. Из таблицы 1.2, составленной нами по графическим данным работы [85] , можно видеть, что в то время как ОТ
~ 35°1У до 55°/У увеличивается приблизительно в 3,5 раза, ГМ] И [Не], наоборот, уменьшается. Значения же [0] остаются приблизительно постоянными. Измерения в этом случае выполнены на высоте 420 км в 02.00 местного времени для 14 апреля 1974 г.
Таблица 1.2
Концентрация составляющих атмосферы на высоте 420 нм
в 02.00 местного времени для 14 апреля 1974 г.
Геомагнитная] 34 | 36 Ї 37 І 41 І 43 { 47 І 49 Т 53 І 54 І 56
широта 0 і І { І і і І І
• _ •_ • • _ •____ ♦ * • І •
[ . Ю"5 1,7 1,8 2,2 2,0 2,8 3,7 4,0 3,0 7,0 5,0
[(И-10"7 1,7 почти не меняется
[Не].ю_6 1,7 1,5 1,5 1,4 1,6 1,4 1,6 1,3 1,1 1,1
[ N ] • ю"5 2,2 1,9 2,0 1,5 2,0 1,6 1,7 1,1 1,3 1,3
Для сравнения приведем широтную картину распределения концентрации 0 и на высоте 500 км (табл.1.3), снятую нами из графических результатов работы [100] , полученных с помощью квадру-
польного масс-спектрометра, установленного на борту 0Г0-6. Измере-
Широтное распределение [о] и [№>] на высоте 500 км
Таблица 1.3
Дни
Концентрация
см"5
Геогрэфич8ская широта
-45° \ -30° |* -15° I О1
15'
\ 30° | 45° ! 60° ! 701
17.03 1969 г.
*Р=9
7.03 1969 г. ^ * 67
8.03 1969 г. Ар = 400
[0] • 10 [N*1 * ю
ь>]/[>д
!о] • ю
Ю • ю [0]/[Ма]
[о]
№
[о]/ад
-7
-5
-7
-7
10
10
-7
-7
2,5 2,3 2,9 3,0 2,85 2,5 3,1 4,7
5,3 1,3 2,7 3,0 1,7 0,7 6,0 2,0
47,0 177,0 107,0 100,0, 167,0 356,0 51,8 23,5
7,5 6,0 4,2 4,0 4,5 4,8 5,8 4,3
40,0 9,0 4,0 3,0 3,1 4,0 20,0 72,0
18,7 66,6 105,0 133,0 145,0 120,0 25,0 6,0
8,0 8,5 7,5 6,3 5,0 9,0 10,0 6,0 5,0
3,0 2,0 1,0 0,11 0,08 0,2 1,0 1,0 2,0
2,66 4,25 7,5 57,3 62,5 45,0 10,0 6,0 2,0
[^]8,0з/[^]17.03 56,0 154,0 37,0 3,7 4,7 28,5 16,7 50,0
10
ния были выполнены для спокойного дня Г? марта ( в 07.00 LT) и возмущенных дней 7 и 8 марта ( в 07.30 LT) 1969 года.
Из таблицы видно следующее. В спокойный период широтное изменение [0] незначительное. [« показывает заметный широтный ход, наименьшие значения его приходятоя к ±30°. Значения [о]/[NJ на этих широтах, естественно, имеют максимумы. В возмущенный период в широтном ходе [0] выделяются два минимума, которые приходятся на широты *30° - ад? Широтный ход концентрации молекулярного азота в этот период существенно отличается от аналогичного хода [NJ для спокойного дня. Наименьшие значения [W2] теперь приходятся на экватор ( 0°-20°). Наблюдаемые в спокойный период минимумы около *30° заполняются, значения [IVJ непрерывно возрастают к высоким широтам северного и южного полушарий. Указанное хорошо видно из последней строки таблицы, где приведен широтный ход отношения [NJ за возмущенный день 8 марта к [NJ за спокойный день Г7 марта. Наибольшие величины [0]/[М2] в возмущенный период приходятоя на экваториальные широты.
Представим теперь картину широтного изменения состава атмосферы. Воспользуемся для этого некоторыми результатами дневных измерений на спутнике АВ-С [56,86,107] . Составим таблицу (табл.1.4) по
зимним измерениям, из которой можно видеть, что в то время, как абсолютные значения концентрации 0 и | возрастают к низким широтам, величина их отношения [0]/[N2] » наоборот, увеличивается к высоким широтам. Из таблицы, однако нельзя установить четкую широтную границу, где начинается это возрастание. Можно заметить только, что оно наблюдается уже на высоте 200 км между широтами 33° N и
56° N .
Таким образом, можно заключить,что концентрация и состав нейтральной атмосферы сложным образом изменяются по широте. При этом
II
переход из одних условий в другие происходит на границах переходной зоны, особенно на верхней её границе.
Таблица 1.4
Широтное изменение состава для зимнего сезона
Январь 1974 г. Февраль 1974 г.
ГШГТй Г ' га вй
і ІСГ8 1 00 1 ? о 1 1м 1 ЮМ Ь;КМ Ю"8 Ю~8 ш/т
16 9,50 1,50 6,32 200 33 40,10 21,10 1,97
47 5,60 0,90 6,20 56 40,80 18,70 2,56
15 8,00 1,10 7,28 250 21 15,10 4,08 3,68
49 4,90 0,55 8,90 61 11,10 2,11 5,22
14 5,40 0,62 8,71 300 15 5,57 0,72 7,75
51 4,00 0,42 9,52 64 3,21 0,26 12,00
14 5,30 0,60 8,84 350 10 2,15 0,15 14,50
53 4,00 0,41 9,75 66 0,94 0,04 26,00
271
285
299
зоо;
О сезонной и суточной вариации структурных параметров нейтральной атмосферы на различных широтах накоплены определённые данные. Однако, систематизация сезонной вариации состава и концентрации нейтральной атмосферы в широтном разрезе представляется сложной задачей. Это связано прежде всего с отсутствием достаточного количества прямых данных, полученных на основе однозначных измерений. В связи с этим воспользуемся данными измерений на спутнике АЕ-С [69] в период сумерек ( эе. = 84,9° ) II авгуота 1974 г. Составляя таблицу 1.5 проследим за сезонным изменением концентрации атомарного киолорода на низких широтах. Сразу отметим, что измерения были выполнены над западным полушарием, где геомагнитный
12
экватор находитоя приблизительно на 10° южнее географического.
В связи с этим данные для (j>° .'в интервале высот 150-180 км могут быть приняты как экваториальные (в магнитном отношении). Для высот выше 190 км их уже можно принимать как низкоширотные. При этом в пвследнем олучае они могут быть отнесены к зимнему сезону. Тогда легко заметить из таблицы (учитывая, что данные для целиком относятся к летнему сезону), что на экваториальных широтах ( от -9,0° до +24,2°) концентрация атомарного кислорода на высотах 150-180 км с широтой мало меняется. Отношение же [0]ЗИЫд/ Со]дето 01 низких ииро1 До переходных увеличивается до 1.23.
Таблица 1.5
Изменение [0] от зимы к лету
h, км Г п і Гг І 1^12
150 - 1,9 17,8 0,99
160 - 4,8 20,1 1,0
170 - 7,0 22,2 1,0
180 - 9,0 24,2 1,06
190 -10,6 26,2 1,13
200 -12,2 27,7 1,17
210 -В,7 29,2 1,15
220 -15,1 30,4 1,18
230 -16,3 32,0 1,21
гад -17,4 33,1 1,17
250 -18,6 34,1 1,19
260 -19,8 35,1 1,23
270 -20,9 36,1 1,23
13
Однако это заметно меньше„ чем на высоких широтах.
Таким образом, сезонные изменения состава нейтральной атмосферы показывают хорошо выраженную широтную вариацию. Отношения зимних значений концентрации атомарного кислорода к летним возрастают к высоким широтам. Величины [0]/[1У2] зимой к высоким широтам также увеличиваются.
Орбита спутника АЕ-С позволяла наблюдать за ходом изменения температуры и концентрации составляющих атмосферы от дневного времени к ночному для равноденственного периода ( с центром 14 апреля 1974 г.). В 02.00 и 17.00 на высотах 400-550 км спутник находился над широтной зоной 40°-50° N. По модельным данным САЙРА-1972 к этим часам суток, соответственно, приходится суточный минимум и максимум плотности. Из табл.1.6, составленной по результатам работы [85] легко видеть, что суточное изменение концентраций частиц на рассматриваемых высотах полностью контролируется температурным режимом атмосферы.
Таблица 1.6
Концентрация составляющих атмосферы на широтах 40°-50° N для 14 апреля 1974 г.
17.00, Т=950°К 02.00 Т = 760°К
И1 ВД М ОД [0] м № [0] IМ И
П ,км 10-7 10-5 10-5 ^ | 10-6 10-4 10-4 [0]н[^2] [|\|]
400 5,0 22,0 16,0 22,7 25,0 45,0 30,5 55,5 52,0 4,9 5,2
450 2,0 4,7 7,4 51,7 8,1 6,6 12,0 123 2,6 7,1 6,2
500 0,85 1,0 3,5 85,0 2,75 1,1 4,6 250 3,1 9,1 7,6
14
Авторы [85] отмечают, что суточные колебания температуры и [Л/J хорошо согласуются с соответствующими колебаниями модельных (CIRA-1872) данных. Отметим, что величина отношения дневных значений [AQ к ночным для некоторых географических пунктов колеблется от 1,1 до 2,1 в зависимости от сезона и широты [91] .
1.2 Ионный состав и их концентрация
Результаты спутниковых измерений позволяют уточнить картину широтного изменения состава, концентрации и температуры ионов.
Так, более ранними исследованиями авторов [80] обнаружено, что концентрация молекулярных ионов [Og + No+] от широты 15°W до 60°N несколько уменьшается на уровнях высот около 200 км, в то время как по данным [73] в интервале геомагнитных широт 20°-40°V она показывает максимум. А [0+] , по данным, магнитно-спокойного периода 5-15 ноября 1965 г., то есть зимнего периода минимальной активности Солнца несколько уменьшается. Об относительном возрастании концентрации 0+ к высоким широтам указывается в работах [53,55] . Анализ в этом случае произведен по данным измерений в верхней (500-1800 км) ионосфере. Систематизируя данные по ионному составу, полученные на спутниках 0Г0-4 и 0Г0-6 авторы [105] показы^ вают, что концентрация молекулярных ионов с увеличением широты возрастает, однако, в противоположность вышесказанному, в широтной зоне 25°-30° наблюдается провал концентрации, который на низких широтах сменяется максимумом. Анализ в пооледнем случав произведен для периода высокой активности Солнца для зимнего солнцестояния 1969 г. Экспериментальные данные, полученные на третьем Советском искусственном спутнике Земли для дневного времени на высотах 225-980 км при высокой активности Солнца ( г,=199), подтверждают
последние результаты: содержание молекулярных ионов Л/0+, 0г и
- Київ+380960830922