Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Термосфера и методы ее исследования 11
1.1 Введение 11
1.2 Экспериментальные исследования 12
1.3 Приливы 14
1.4 Эмпирические модели 16
1.5 Теоретические модели 19
Глава II. Модель верхней атмосферы Земли (UAM) 24
2.1 Введение 24
2.2. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы 25
2.2.1. Субблок нейтральной атмосферы 25
2.2.2. Уравнения непрерывности для компонент нейтрального газа 27
2.2.3. Уравнение движения 30
2.2.4. Уравнение теплового баланса 32
2.2.5. Начальные условия 34
2.2.6. Граничные условия 35
2.2.7. Субблок нижней ионосферы (ионосферные области D, Е и F1) 36
2.3. БлокР2 области ионосферы и внешней ионосферы 37
2.4. Блок расчета электрического поля и магнитосферный блок 39
2.5. Входные параметры 40
2.6. Метод решения и шаги интегрирования 42
Глава III. Вариации термосферных параметров в период геомагнитных бурь апреля 2002 года 44
3.1. Введение 44
3.2. Температура нейтрального газа 48
3.3. Нейтральный состав 55
3.3.1. Концентрация атомарного кислорода 55
3.3.2. Концентрация молекулярного азота 60
3.3.3. Отношение концентраций R=n(0)/n(N2) 65
3.4. Термосферный ветер 69
3.5. Выводы 76
Глава IV. Проблема экваториального минимума плотности нейтрального газа 79
4.1. Введение 79
4.2. Температура и плотность нейтрального газа в модельных расчетах 82
4.3. Влияние магнитосферных источников энергии и импульса на характер распределения температуры и плотности нейтрального газа 85
4.4. Влияние других механизмов нагрева и охлаждения на распределение температуры и плотности нейтрального газа в модельных расчетах 88
4.4.1. Нагрев нейтрального газа 90
4.4.2. Охлаждение нейтрального газа за счет излучения 92
4.5. Влияние начальных и граничных условий 95
4.6. Сеточные эффекты 99
4.7. Где же находится минимум? 103
4.8. Выводы 103
Заключение 105
Литература
- Экспериментальные исследования
- Уравнения непрерывности для компонент нейтрального газа
- Концентрация атомарного кислорода
- Влияние магнитосферных источников энергии и импульса на характер распределения температуры и плотности нейтрального газа
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию физических процессов, протекающих в спокойной и магнитно-возмущенной термосфере Земли, методом математического моделирования с использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (термосферы, ионосферы и внутренней магнитосферы Земли как единой системы), и эмпирических моделей состава, теплового режима и горизонтальной циркуляции термосферы Земли.
Актуальность проблемы. Изучение процессов в термосфере Земли имеет большое практическое значение. В последние годы все большее количество спутников выводится на околоземную орбиту. Это и метеорологические, и военные, и научные спутники, а также, спутники глобальных коммуникационных систем и радионавигации. Как известно, любые изменения плотности и температуры нейтрального газа, а так же скорости и направления ветра, которые связаны с вариациями геомагнитной и солнечной активности определяют торможение и время жизни искусственных спутников Земли.
Нейтральная атмосфера, в частности фотоионизация нейтральных компонент солнечным ионизирующим излучением, является причиной существования ионосферы, то любые изменения, происходящие в ее химическом составе, тепловом или ветровом режиме, оказывают влияние на ионный состав и концентрацию электронов в ионосфере, и через это - на условия радиосвязи и радионавигации. В свою очередь, ионосфера передает нейтральному газу энергию солнечного ионизирующего излучения по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и энергию солнечного ветра через нагрев токами и дрейфами плазмы, изменяя тепловой режим термосферы и термосферную циркуляцию.
Одним из методов исследования атмосферы является математическое моделирование. С развитием компьютерной техники наиболее актуальным стало развитие глобальных самосогласованных численных моделей, в которых теми или иными численными методами решаются уравнения динамики атмосферы. Теоретические модели позволяют проводить численные эксперименты с учетом, или, наоборот, с исключением из модели различных физических процессов, что позволяет оценивать влияние этих процессов на те или иные атмосферные параметры и интерпретировать экспериментальные данные. Соответственно, для повышения адекватности теоретических моделей, необходимо проводить сопоставление результатов модельных расчетов с результатами наблюдений и данными эмпирических моделей.
Ob ,
"П з
Цель диссертационной работы - провести исследование и дать физическую интерпретацию выявленных в последние годы с помощью радарных и спутниковых наблюдений особенностей поведения термосферы Земли, связанных с термосферно-ионосферным взаимодействием, как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях с помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), сопоставить полученные результаты с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended), или сокращенно MSIS и термосферного ветра HWM93 (Horizontal Wind Model) и экспериментальными данными, и выяснить какие модели наиболее адекватно воспроизводят реальные геофизические условия.
Для достижения цели были поставлены задачи:
На основе численных экспериментов с помощью модели UAM определить чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных и граничных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования.
Провести сопоставление основных термосферных параметров, рассчитанных по модели UAM с данными современных эмпирических моделей температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для периодов конкретных геомагнитных бурь.
Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM определить как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы.
С помощью модели UAM определить относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы на высоте ~ 400 км.
Выявить механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне.
Для изучения влияния геомагнитно-спокойных и возмущенных условий на динамику термосферы был выбран апрель 2002 года. В этот период произошли сильные магнитные бури, которые были предсказаны заранее из наблюдений за активностью Солнца, и для наблюдения за ними была организована целая международная кампания.
В этот же период времени (2002 год) акселерометром спутника CHAMP проводились измерения плотности нейтрального газа на высотах около 400 км. Измерения выявили ранее неизвестную особенность в глобальном распределении плотности - на дневной стороне в приэкваториальной области был обнаружен ее минимум. Эта и другие особенности поведения термосферы в указанный период времени и явились предметом исследования диссертационной работы.
Метод исследования. Исследование поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли UAM, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. В модели UAM решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а так же уравнение для потенциала электрического поля. В модели реализована возможность подключения в виде отдельных модулей эмпирических моделей теплового режима и состава термосферы NRLMSISE-00 и скорости горизонтального термосферного ветра HWM93, что позволяет не только рассчитывать основные термосферные параметры путем решения уравнений, но и получать напрямую из эмпирических моделей.
Научная новизна проведенных исследований определяется как использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (UAM) в качестве инструмента исследований глобальной динамики термосферы в комплексе с эмпирическими моделями термосферы и экспериментальными данными о параметрах термосферы, так и результатами, полученными впервые:
Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы, как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней термосферы (-400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.
На основе численных экспериментов с помощью модели UAM впервые определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термо-
сферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы. 3. Впервые предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что они могут быть использованы как для интерпретации данных наблюдений, так и для совершенствования эмпирических моделей верхней атмосферы как параметров, необходимых для вычисления торможения искусственных спутников Земли и других космических аппаратов. Последнее в значительной степени относится к результатам сопоставления модели UAM с моделью NRLMSISE-00.
Достоверность полученных результатов обусловлена физической обоснованностью известных исходных уравнений и принципов, на которых базируется глобальная численная модель верхней атмосферы UAM, согласием результатов расчетов как с данными измерений параметров термосферы, так и с эмпирическими моделями атмосферы, как обобщением экспериментальных данных.
На защиту выносятся:
Выявленная степень точности глобальной теоретической модели верхней атмосферы Земли UAM по параметрам верхней термосферы. Установлено, в частности, что погрешности модели UAM сопоставимы с погрешностями современных эмпирических моделей как для спокойных периодов, так и для периодов геомагнитных бурь. При этом UAM, в отличие от модели MSIS, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц. Термосферная циркуляция по UAM, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.
Установленный относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы; оценена относительная роль основных процессов в глобальной перестройке термосферы в период конкретных геомагнитных бурь.
3. Выявленный механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.
Личный вклад автора. Автором с помощью модели UAM выполнены модельные расчеты и численные эксперименты по изучению поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях. По результатам расчетов построены карты глобального распределения и временные вариации основных термосферных параметров, проведен анализ и дана физическая интерпретация полученных результатов. Автор принимала участие в обсуждении, подготовке и написании тезисов, статей и докладов по теме диссертации.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2002, 2003); Международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); XXV-XXXI семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты 2002 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009); European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006); 4th, 5th, 6lh и 7th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008); IUGG XXIV General Assembly (Perugia, Italy, 2007).
По теме диссертации опубликована 31 работа, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 12 работ в трудах научных конференций и 16 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения. Работа содержит 123 страницы текста, в том числе 25 рисунков и 18 страниц библиографии, содержащих 213 ссылок.
Экспериментальные исследования
До начала космической эры, экспериментальные исследования осуществлялись наземными методами, например, определение скоростей ветра вблизи мезопаузы впервые было осуществлено путем наблюдений за движениями серебристых облаков. Другим методом наземного наблюдения за системой ветров является радиолокация метеорных следов [Акасофу, Чепмен, 1974]. Широкое применение в изучении структуры и динамики атмосферы, особенно мезосферы и нижней термосферы нашло ракетное зондирование. Создание искусственных натриевых или литиевых облаков с помощью ракет Nike-Asp в период сумерек и наблюдения за этими облаками дали возможность получить сведения о скорости и направлении ветра, диффузии, турбулентности и плотности воздуха на высотах от 80 до 180 км. Запуски ракет в утренние и вечерние сумерки позволили исследовать суточный ход измеряемых величин. [Кондратьев, 1962]
Полеты искусственных спутников Земли дали возможность более детально исследовать околоземное пространство. Так, существование долготных вариаций термосферной плотности было впервые обнаружено в данных торможения спутников [Jacobs, 1967; De Vries, Friday, Jones, 1967]. Позже по данным спутника Ogo б [Hedin, Reber, 1972; Hedin et al., 1974] было установлено, что высокоширотные вариации состава в спокойных геомагнитных условиях зависят от мирового времени. Масс-спектрометры на спутниках Esro 4 [von Zahn, 1975; Trinks et al., 1975] и AE-C [Hedin et al., 1977c] также показали зависимость параметров термосферы от долготы в возмущенных и спокойных условиях. Рядом авторов была обнаружена зависимость между высыпаниями и увеличением плотности нейтрального газа [Olson, Мое, 1974; Taeusch, Hinton, 1975; Taeusch, 1977; Мое et al., 1977]. По данным измерений со спутников было обнаружено, что уменьшение электронной концентрации во время магнитных бурь в максимуме F2-слоя может быть связано с увеличением концентрации молекулярных газов [Seaton, 1956; Rishbeth, 1962], или с уменьшением отношения n(0)/(N2) [Duncan, 1969; Mayr, Harris, Spencer, 1978; Prolss, Roemer, 1985; Meier et al., 1995; Strickland et al., 1999; Drob et al., 1999; Immel, Craven, Frank, 1997; Imrael, Craven, Nicholas, 2000]. Данные измерений дневного свечения атомарного кислорода спектрометром на спутнике U.S Air Force STP 78-1 [Bowyer et al., 1981] использовались для изучения изменений концентрации О в магнитно-возмущенных условиях.
Сравнительно недавно в данных измерений со спутника CHAMP было обнаружено, что в глобальном распределении плотности на дневной стороне в широтном интервале 20-25 по обе стороны от геомагнитного экватора наблюдаются максимумы плотности нейтрального газа между 10 и 20 часами местного магнитного времени [Liu et al., 2005], и на высоте 410 км в широтном интервале ±87 около 0430 и 1530 MLT в плотности нейтрального газа присутствуют волноподобные структуры с длинами волн 100-1000 км [Forbes et al., 2005]. Ранее в измерениях спутниками АЕ-Е (1975-1981 гг.) [Raghavarao et al., 1991, 1993, 1998] и DE 2 (1981-1982 гг.) [Spencer, Niemann, Carignan, 1973; Spencer et al., 1981; Suhasini R et al., 2001] температуры нейтрального газа и скорости нейтрального ветра было обнаружено явление, названное экваториальной температурной и ветровой аномалией.
Помимо спутниковых данных для измерения некоторых термосферных параметров применяются установки вертикального зондирования ионосферы и некогерентного рассеяния радиоволн. Эти измерения по большей части являются косвенными, основанными на взаимосвязи между ионосферными и термосферными параметрами. В частности, для нахождения концентрации атомарного кислорода и температуры нейтрального газа на высотах F2-cnon по измеренным методом некогерентного рассеяния температуры и скорости ионов применяется уравнение энергии для ионов 0+, а для определения меридиональной компоненты термосферного ветра уравнение движения для ионов О или теоретическая взаимосвязь между высотой максимума і 2-слоя и скоростью меридионального термосферного ветра.
В различные годы по ионосферным данным оценивались: ветры [Mikhailov, Ostrovskii, 1978; Miller, Torr, Richards, 1986; Richards, 1991; Titheridge, 1995; Igi, Oliver, Ogawa, 1999], состав и ветер [Richards, Wilkinson, 1998; Wright, Conkright, 2001; Mikhailov, Lilensten, 2004]. На основании вариаций полного электронного содержания определяли скорость термосферного ветра [Sethia et al., 1983; Forster, Jakovvski, 1988], экзосферную температуру [Antoniadis, 1977] и концентрацию атомарного кислорода [Lilensten, Blelly, 2002]. Большое количество интересных данных о термосферных параметрах (ветер, температура, состав) было получено на базе радарных измерений [Alcayde, Bauer, Fontanari, 1974, 1982; Babcook, Evans, 1979; Evans, Oliver, Salah, 1979; Oliver, 1979, 1990; Alcayde and Fontanari, 1986; Buraside, Sulzer, Walker, 1988; Burnside et al, 1991; Winser et al., 1988; Blelly et al., 1992; Buonsanto et al., 1992; Aruliah, Schoendorf, Aylward, 1997; Mikhailov, Forster, 1997; LathuiUere et al., 1997; Buonsanto, Pohlman, 1998; Schoendorf, Oliver, 1998; Witasse et al., 1998; Buonsanto, Witasse, 1999; Litvin et al., 2000; Fujiwara, 2007].
Среднемассовые движения атмосферы, вызванные солнечным и высокоширотным источниками энергии и импульса, можно изучать в терминах теории атмосферных приливов, развитой первоначально для преимущественно стратосферных высот. В настоящее время приливные вариации рассматривают как явление распространения в атмосфере приливных волн, под которыми понимают глобальные возмущения с частотой кратной обратным суткам и распространяющимся вдоль круга широты:
В атмосферных исследованиях приливные волны делят на солнечно-мигрирующие (n=s) и немигрирующие (ns). На высотах термосферы основными источниками приливных вариаций являются приливные волны, распространяющиеся из средней атмосферы, а также генерируемые непосредственно в термосфере вследствие поглощения солнечного излучения, а также взаимодействия нейтральных и заряженных частиц.
Т.к. приливные вариации являются важной составляющей суточных изменений параметров верхней атмосферы, их изучению посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований.
Уравнения непрерывности для компонент нейтрального газа
В модели предполагается, что изучаемые процессы не нарушают условия гидростатики (уравнение (4)), которое может использоваться для определения плотности р нейтрального газа. В этом случае для нахождения концентраций 02 и О решаются два уравнения диффузионного типа (9), a N2 находится из общей плотности и найденных концентраций 02 и О. Возможен также другой способ нахождения плотности нейтрального газа. В этом случае для нахождения концентраций Э2 и О решается уравнение (9), концентрация N2 находится по барометрической формуле, а плотность нейтрального газа р находят как сумму плотностей основных компонент (02, О и N2).
Для описания термосферной циркуляции помимо горизонтальных составляющих скорости нейтрального ветра рассчитывается ее вертикальная компонента Vr, которая не входит в вертикальное уравнение движения (4) и поэтому находится из уравнения неразрывности для плотности (2):
В атмосфере Земли основные потери тепла при излучении происходят за счет инфракрасного излучения СОг. Объемная скорость выхолалсивания в этом случае может быть записана в виде [Гордиец, Куликов,1981; Гордиец и др., 1982]: где ка — коэффициенты скоростей столкновительной дезактивации уровня 01 0 в столкновениях с частицами сорта а (О, Ог, N2).
Охлаждение за счет излучения NO в полосе 5,3 мкм доминирует согласно расчетам [Гордиец, Марков, 1977; Гордиец, Куликов, 1981; Гордиец и др., 1982] для средних широт на высотах примерно от 120 до 170-250 км, а согласно авроральным ракетным измерениям [Van Zandt, O Malley, 1973] — выше 100 км. Объемная скорость охлаждения за счет излучения NO может быть записана в виде:
В верхней термосфере основным радиационным стоком тепла является излучение 63 мкм атомарного кислорода, объемная плотность охлаждения для которого дается выражением [Bates, 1951]:
Если уравнения содержат производные по времени, то для начала расчетов необходимо задать начальные глобальные распределения шести неизвестных параметров: Начальные условия необходимо выбирать достаточно близко к предполагаемому решению. Так, в качестве начальных условий могут быть выбраны результаты расчетов для аналогичных геофизических условий. Таким требованиям отвечают данные эмпирических моделей, в частности, в последнее время используется эмпирическая модель термосферы Земли NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002]
Для решения уравнений, содержащих производные по координатам необходимо задание граничных условий на границах пространственной области, для которой ищется решение. На нижней границе г=Го начальные условия выбираются исходя из постановки задачи. В данном исследовании граничные условия для Тп, п(02), n(Nz), п(О) рассчитывались по эмпирической модели NRLMSISE-OO (Picone et al., 2002], также в ряде численных экспериментов в качестве граничных условий были приняты значения Тп, nfO , nflST , п(О), усредненные на фиксированной высоте (80 км).
Нижние граничные условия для горизонтального ветра также можно задать несколькими способами. Во-первых, они могут быть рассчитаны исходя из геострофического приближения, во-вторых, рассчитаны по эмпирической модели ветров HWM93 [Hedin et al., 1996], в-третьих - заданы как константы, например, в виде: VQ _ = Vj\І =0. В данной работе скорость горизонтального ветра на нижней границе рассчитывалась из геострофического приближения.
Постановка верхних граничных условий наверху (р=Гт=520 км) обусловлена асимптотикой решения исходной системы уравнений при. Полагая, что через верхнюю границу отсутствуют потоки тепла и импульса, можно записать:
Концентрация атомарного кислорода
Рассмотрим рассчитанные по моделям MSIS и UAM изменения в газовом составе нейтральной атмосферы, которые происходили в период 15-20 апреля 2002 г., а именно в значениях концентраций атомарного кислорода, молекулярного азота и отношения их концентраций на высоте 350 км, т.е. вблизи главного максимума электронной концентрации Р2-слоя ионосферы, поведение которого как раз и определяется отношением n(0)/n(N2).
На рис. б представлены карты глобального распределения концентрации атомарного кислорода для избранных возмущенных и спокойных моментов времени на высоте 350 км:
В левой колонке представлены широтно-долготные вариации, построенные по результатам расчетов по эмпирической модели термосферы MSIS, в средней — по теоретической модели атмосферы в варианте UAM(TM), а в правой - по теоретической модели в варианте UAM(T5).
Если сопоставить рис. 6 с рис. 3, то видно, что распределение концентрации атомарного кислорода по форме изолиний и областям его повышенного содержания заметно отличается от распределений температуры нейтрального газа. Это связано с отклонением высотного распределения концентрации О от гидростатического в нижней термосфере, где нет диффузионного равновесия вследствие образования атомарного кислорода в реакциях фотодиссоциации Ог и Оз и исчезновения в реакциях столкновений с О, Ог и Оз. Напомним, что в теоретической модели UAM концентрация О рассчитывается путем решения уравнения непрерывности с учетом всех этих реакций, а также процессов переноса.
Рассмотрим, как изменялась концентрация атомарного кислорода в вариантах расчетов со MSIS и UAM(TM) и UAM(T5). Как видно из рис. б, области повышенного содержания атомарного кислорода во всех трех вариантах расчетов расположены на
дневной стороне в низких и средних широтах. Но если в варианте MSIS максимум концентрации находится вблизи экватора в Северном полушарии и смещен от полуденного меридиана в вечернюю сторону на 20—30, то в обоих вариантах расчетов по теоретической модели UAM 15 — 17 апреля 2002 года вблизи геомагнитного экватора на дневной стороне наблюдается минимум концентрации атомарного кислорода и два максимума по обе стороны от него (проблема возникновения этого минимума будет более подробно рассмотрена в главе IV). В Северном полушарии область повышенного содержания О смещена в средние широты, а в Южном - в низкие. Характер распределения изменяется только к началу второй фазы бури — к 2400 UT 18 апреля, и, начиная с этого момента времени UT, характеры распределения концентрации атомарного кислорода по MSIS и по UAM становятся близки друг к другу. По абсолютному значению концентрация атомарного кислорода больше в Южном полушарии (в отличие о Т„, которая максимальна в Северном полушарии), и ее пик смещен от полуденного меридиана на вечернюю сторону на 30—45. В варианте MSIS концентрация О выше, чем в обоих вариантах UAM.
С началом бури (1200 UT 17 апреля) в варианте расчетов по MSIS концентрация атомарного кислорода возрастает как на дневной, так и на ночной стороне, в то время как в вариантах расчетов UAM(TM) и UAM(T5) увеличения концентрации О нет, в максимуме значение такое же, как и в предыдущие сутки, а вот размер области с пониженным содержанием О увеличивается.
К началу второй бури (1200 UT 19 апреля) в расчетах по MSIS концентрация атомарного кислорода продолжает увеличиваться в низких и средних широтах, а на ночной стороне в высоких и средних широтах уменьшается. В обоих вариантах по модели UAM к этому моменту времени картина широтно-долготного распределения меняется кардинально. Область повышенного содержания атомарного кислорода смещается на дневной стороне в область низких широт Южного полушария (-20-30) в долготном интервале 270-315 (что соответствует промежутку времени 1300-1600 MLT), а область пониженного содержания О смещается в Северное полушарие, где в ночные часы она доходит до низких широт
На рис. 7 представлены временные вариации концентрации атомарного кислорода над местоположениями установок некогерентного рассеяния, рассчитанные для периода времени с 15 по 20 апреля. В этот период концентрация О изменялась следующим образом.
В расчетах по MSIS в высоких широтах (Сондрестрем, Свалбард) концентрация атомарного кислорода, начиная с 17 апреля, медленно уменьшается, причем в ночные часы спад более заметен, чем в дневные. Над Тромсе значения дневных максимумов практически не изменяются, но в ночные часы прослеживается падение концентрации О.
В средних широтах (Миллстоун Хилл, Харьков) в расчетах по модели MSIS значения, как дневных максимумов, так и ночных минимумов в течение всего расчетного периода остаются неизменными. Расчеты над Аресибо и Иркутском, начиная с 17 апреля, показывают увеличение концентрации атомарного кислорода и в дневные, и в ночные часы.
Как видно из графиков, в течение первых суток (15 апреля) два варианта расчетов по UAM значительно отличаются друг от друга по значениям п(О) (примерно в 1,5 - 2 раза в зависимости от станции). Концентрация О больше в варианте UAM(TM) и практически не отличается от MSIS, что говорит о влиянии начальных условий, т.к. для варианта расчетов UAM(TM) они были взяты из MSIS. Но к концу первых суток кривые UAM(TM) и MSIS расходятся, в варианте расчета UAM(TM) концентрация О падает быстрее, и к концу 16 апреля оба варианта расчетов с теоретической моделью (UAM(TM) и UAM(T5)) дают близкие значения концентрации.
Сближение кривых UAM(TM) и UAM(T5) вплоть до совпадения наблюдается в зависимости от станции до 0800-1200 часов UT 18 апреля, после чего они опять расходятся. Причем в варианте расчета UAJVI(TM) концентрация О начинает расти и приближаться к варианту расчетов по MSIS, а в расчете UAM(T5) концентрация кислорода продолжает падать.
Расчеты по UAM, особенно в высоких и средних широтах, демонстрируют более сильную зависимость концентрации атомарного кислорода от геомагнитной активности, чем по MSIS. Так, 17 апреля в 2000 UT, когда индексы Кр и Ар достигали значений 7 и 135, соответственно, наблюдаются локальные максимумы концентрации на графиках для Свалбард и Тромсе.
Влияние магнитосферных источников энергии и импульса на характер распределения температуры и плотности нейтрального газа
Направление и скорость термосферного ветра зависят от геомагнитных условий. В спокойных условиях, когда решающую роль в характере термосферных ветров играет солнечный разогрев, нейтральный газ растекается из дневного полушария в ночное от области повышенного давления. Днем ветер дует преимущественно к полюсам, а ночью -к экватору.
С усилением геомагнитной активности характер глобального распределения термосферных ветров меняется вследствие высыпаний энергичных частиц и усилений токов в высоких широтах. Появляются два дополнительных источника движений нейтрального газа: тепловой, обусловленный высокоширотным разогревом термосферы за счет Джоулева тепла авроральных токов и диссипации энергии высыпающихся из магнитосферы частиц, и пондермоторный, связанный с передачей импульса от быстро движущихся заряженных частиц к нейтральным. Увеличение температуры нейтрального газа, связанное с высокоширотным разогревом, приводит к изменению градиента давления, движущего нейтральный газ. Усиливается ветер к экватору на ночной стороне и ослабевает ветер к полюсу на дневной. Передача импульса от ионов нейтралам формирует ветровые вихри, отражающие вихревую структуру магнитосферной конвекции.
В данном диссертационном исследовании скорость термосферного ветра рассчитывалась четырьмя способами. В первом случае градиент давления рассчитывался по эмпирической модели термосферы MSIS, во втором и третьем - полностью самосогласованно по теоретической модели атмосферы Земли UAM, но с использованием различных начальных условий. В варианте расчетов, обозначенном UAM(TM) начальные условия были взяты из MSIS, в варианте расчетов UAM(T5) - для стабилизации переходных процессов пять раз просчитано 15 апреля 2002 года (спокойные условия) с использованием теоретической модели с постоянным значением разности потенциалов на границе полярной шапки (10 kV), и по эмпирической модели горизонтальных ветров HWM93.
Характер изменений вектора скорости термосферного ветра в зависимости от геомагнитной активности показан на рис. 12, где представлены карты глобального распределения вектора горизонтальной скорости термосферного ветра на высоте 350 км в трех вариантах расчетов: MSIS, UAM(TM) и HWM93. Показаны следующие моменты времени: Для большей наглядности верхний предел скорости термосферного ветра на картах ограничен значением 600 м/с.
На картах видно, что в высоких широтах в вариантах расчетов по UAM и MSIS имеют место два вихря, соответствующие вихрям магнитосферной конвекции и подтверждающие факт ион-нейтрального взаимодействия. В варианте расчетов по HWM93 есть только один вихрь, что не соответствует действительной физической картине распределения скорости горизонтального термосферного ветра, подтвержденной многими исследователями. Очевидно, это связано с недостаточным количеством экспериментальных данных для высокоширотных областей.
Как видно из рис. 12, в геомагнитно спокойных условиях (16 апреля 1200 UT) скорости ветра в трех вариантах расчетов близки друг к другу по абсолютным значениям. Характер циркуляции по модели HWM93 отличается от MSIS и UAJVI не только в высоких широтах, но и в средних и низких широтах на ночной стороне. Так, на ночной стороне скорость ветра в варианте HWM93 в средних и низких широтах достигает значения 225 м/с, тогда как в вариантах MSIS и UAM в этом же секторе не превышает 150 м/с.
С началом бури в 1200 UT 17 апреля скорость ветра увеличивается во всех вариантах расчетов, что связано с увеличением разности потенциалов поперек полярной шапки (рис. 2). Как видно на рис. 12, в целом в варианте UAM(TM) скорость выше, чем в вариантах MSIS и HWM93. В этот момент времени в высоких широтах в вариантах MSIS и UAM хорошо заметны вихри, возникающие вследствие ионного трения, которое увлекает нейтральный газ вслед за электромагнитным дрейфом ионов (ионосферно-магнитосферной конвекцией). Поэтому в высоких широтах скорость движения нейтрального газа больше, чем в низких, где ионное трение играет роль тормозящей силы для нейтральных ветров, генерируемых градиентами давления от солнечного разогрева.
Как видно из рис. 12, 19 апреля в 1800 UT также наблюдается увеличение скорости термосферного ветра в расчетах по MSIS и UAM, что согласуется с увеличением разности потенциалов поперек полярной шапки (рис. 2), тогда как в HWM93 скорость уменьшается.
В этот момент времени в варианте MSIS максимальное значение скорости 1000 м/с, в варианте UAM(TM) -840 м/с, в варианте HWM93 -450 м/с. И хотя максимальное значение в варианте MSIS больше, чем в вариантах расчетов по UAM и HWM93, в целом скорость ветра больше в UAM(TM).
На рис. 13 и 14 представлены графики временных вариаций меридиональной (положительной к Северу) составляющей скорости термосферного ветра на высоте 350 км, т.е. вблизи максимума Р2-слоя ионосферы, где ветер слабо зависит от высоты для всех местоположений установок некогерентного рассеяния. Показаны результаты четырех вариантов расчетов: по эмпирической модели MSIS, по теоретической модели термосферы UAM в обоих её вариантах (ТМ и Т5) и по эмпирической модели горизонтального термосферного ветра HWM93.
Как видно из графиков, в первые сутки расчетов (15 апреля) заметно влияние начальных условий, т.к. кривая UAM(TM) ближе к MSIS, чем к UAM(T5). При этом для средних широт 15 апреля кривая UAM(T5) почти совпадает с HWM93 по фазе, а амплитудные значения скорости ветра больше в UAM(T5). Начиная с 12-22 часов UT (в зависимости от станции) 17 апреля в вариантах MSIS, UAM(TM) и UAM(T5) наблюдается увеличение скорости ветра в целом по глобусу. Усиление геомагнитной активности практически не повлияло на скорость термосферного ветра в варианте HWM93. Отличия в абсолютных значениях скорости особенно заметны в высоких широтах (Сондрестрем, Свалбард, Тромсе), где в вариантах MSIS, UAM(TM) и UAM(T5) скорость ветра по модулю достигает значение —500-550 м/с, в варианте HWM93 скорость ветра не превышает значения -200-250 м/с. В средних широтах (Харьков, Иркутск) отличие вариантов MSIS, UAM(TM) и UAM(T5) от варианта HWM93 менее заметно. Разница в значении скорости ветра составляет не более 50 м/с. Исключением является Миллстоун Хилл, где с усилением магнитной активности скорость ветра в HWM93 уменьшается. В течение следующих трех суток (18-20 апреля) вид кривых на графиках практически не изменяется. Наибольшее различие между графиками всех вариантов расчетов в течение 15-20 апреля имеет место для Аресибо. Кривые UAM(TM) и UAM(T5) сближаются к 1200UT 16 апреля, и после этого момента мало отличаются друг от друга, тогда как от варианта MSIS отличаются по амплитудам, и по фазам, за исключением отдельных моментов UT. При этом кривая HWM93 не совпадает ни с одним вариантом за весь период расчетов.
