Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние численного моделирования процессов в верхней атмосфере (Обзор) 10
1.1. Ионосферные модели 10
1.2. Ионосферно-термосферные модели 13
1.3. Модели NCAR 15
Глава 2. Глобальная численная модель верхней атмосферы Земли КОИЗМИРАН 18
2.1. Структура модели 18
2.2. Моделирующие уравнения 19
2.2.1. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы 19
2.2.1.1. Нейтральная атмосфера 19
2.2.1.2. Нижняя ионосфера (D, Ей F1 области ионосферы) 21
2.2.2. Блок ионосферной Р2-области и протоносферы 22
2.2.3. Блок расчета электрического поля 24
2.3. Входные параметры модели 24
2.4. Численные сетки 25
Глава 3. Реконструкция глобальной численной модели верхней атмосферы Земли 27
3.1. Данные модели 27
3.1.1. Рассчитываемые в модели параметры и общий алгоритм расчета 28
3.1.2. Размещение данных во время расчета в оперативной памяти компьютера 28
3.1.3. Механизм указателей на массивы данных в памяти 34
3.1.4. Повышение скорости работы программы 36
3.2. Стандартная структура файлов данных модели 37
3.2.1. Чередование ролей логических файлов с данными "шара" и "трубки" в расчете 38
3.3. Возможность задавать произвольное пространственное разрешение . 41
3.3.1. Системы координат, используемые вмодели 41
3.3.2. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по широте 44
3.3.3. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по высоте 45
3.3.4. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по долготе 46
3.3.5. Требования к модифицированной пространственной координатной сетке модели 46
3.4. Обеспечение более гибкого задания внешнего ввода модели 47
3.4.1. Изменение способов задания электрических полей и токов магнитосферного происхождения 47
3.4.2. Модификация программы модели для произвольного задания электронных высыпаний 48
3.5. Пакеты сервисных программ 49
3.5.1. Программы сохранения и копирования наборов данных 50
3.5.2. Программы извлечения результатов расчетов 51
3.5.3. Программы графического представления данных 52
3.5.4. Сохранение насчитанных данных непосредственно в ходе расчета 55
3.5.5. Примеры возможностей представления модельных данных 55
Глава 4. Расчеты спокойных вариаций параметров верхней атмосферы с использованием модифицированной модели 64
4.1. Результаты тестирования 64
4.1.1. Вариант с использованием эмпирической модели термосферы (МСИС-86) 64
4.1.2. Полностью самосогласованный вариант 64
4.2. Сравнение результатов модельных расчетов для спокойных условий с эмпирическими моделями 76
4.3. Исследование влияния джоудева разогрева и высыпаний мягких электронов на поведение термосферы и ионосферы над ЕИСКАТ 80
4.3.1. Исследование влияния выбора широтных шагов интегрирования на результаты модельных расчётов параметров термосферы 80
4.3.2. Исследование влияния джоулева разогрева на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ 87
4.3.3. Исследование влияния нагрева мягкими высыпающимися электронами на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ 88
4.3.4. Исследование влияния высыпаний мягких электронов на концентрацию и температуру электронов и ионов в Р2-области над ЕИСКАТ 88
4.4. Численное моделирование скорости диссипации турбулентной энергии в высокоширотной мезосфере 89
4.4. Численное моделирование долготной вариации электронной плотности в верхней ионосфере 93
Глава 5. Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время геомагнитных возмущений 100
5.1. Ионосферная суббуря над ЕИСКАТ 25 марта 1987 года 100
5.2. Термосферное возмущение во время суббури 25 марта 1987 года 107
5.3. Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время длительных усилений магнитосферного электрического поля (геомагнитных бурь) 115
Заключение 121
Список использованных источников 123
- Нижняя ионосфера (D, Ей F1 области ионосферы)
- Чередование ролей логических файлов с данными "шара" и "трубки" в расчете
- Сравнение результатов модельных расчетов для спокойных условий с эмпирическими моделями
- Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время длительных усилений магнитосферного электрического поля (геомагнитных бурь)
Нижняя ионосфера (D, Ей F1 области ионосферы)
Даже из приведенного выше краткого описания ионосферных моделей видна огромная роль ионосферно-термосферного взаимодействия, взаимовлияния нейтральной и заряженной составляющих атмосферы. Опять из советских/российских упомянем только работы КО ИЗМИР АН, посвященные этой теме. Уже ранние их модели, названные выше (Намгаладзе и др., 1972, Латышев и др., 1975, Латышев и Намгаладзе, 1975, Namgaladze et al., 1977), включали, как отмечалось, расчет скорости нейтрального ветра. Кроме того, целый ряд работ (Коренъков, 1979, Смертин, 1979) был специально посвящен моделированию ионосферно-термосферного взаимодействия. Параллельно развивалось и моделирование собственно термосферы (Карпов и др., 1985).
Сегодня в мире существует несколько глобальных теоретических численных моделей верхней атмосферы, охватывающих как заряженную, гак и нейтральную ее компоненты. Близкие в основе (поскольку описывают одну и ту же физическую систему), они отличаются количеством учитываемых атмосферных компонент и процессов, степенью самосогласованности, то есть количеством задаваемых извне параметров, а также особенностями численной реализации. Как правило, каждая из них включает две важнейших относительно самостоятельных части, описывающих заряженные и нейтральные компоненты (ионосферу и нейтральную атмосферу, соответственно). Часто эти модели первоначально создавались как модели только одной из этих систем, но существующая в природе тесная их взаимосвязь заставляла при дальнейшем развитии включить в рассмотрение и другую. Такая история тоже наложила свой отпечаток на конкретные особенности каждой модели.
Модель University College London / University of Sheffield первоначально была разработана как глобальная трехмерная динамическая численная модель термосферы и предназначалась для исследования поведения земной термосферы при изменении геофизических условий в широких пределах (Fuller-RowelI and Rees, 1980). Она описывала термосферу как однокомпонентную жидкость с меняющейся с высотой средней молекулярной массой. В модели полностью самосогласованно решалась система уравнений движения, теплового баланса и непрерывности, включая Кориолисовы, вязкостные и нелинейные члены. Для упрощения формы записи уравнений обычная вертикальная координата h была заменена на новую независимую переменную р - уровни давления. Такое допущение подразумевало нахождение термосферы в гидростатическом равновесии и постоянство ускорения свободного падения по всей моделируемой области. Другими ограничениями были использование заданных извне эмпирических моделей для описания полярного источника импульса и энергии и всех эффектов, связанных с электрическими полями и проводимостью, а также пренебрежение распространяющимися снизу от страто-мезосферы приливными волнами. Вместо них на нижней границе принимались нулевыми все компоненты скорости ветра и постоянными - значения температуры, плотности и давления. На верхней границе моделируемой области приравнивались к нулю вертикальная скорость и вертикальные производные горизонтальной скорости и температуры. Пространственное разрешение модели определялось выбранными постоянными шагами сетки 18 по долготе и 10, 5 или 2 (в разных расчетах при моделировании различных геофизических ситуаций) по широте и 15 уровнями давления по вертикали. Нижняя граница фиксировалась на высоте 80 км, и разница в давлении между соседними уровнями составляла е раз (1 шаг сетки на шкалу высот), так что верхняя граница моделируемой области находилась в среднем приблизительно на высоте 450 км (от 300 до 700 км при различных уровнях солнечной и геомагнитной активности).
В дальнейшем в модель было добавлено уравнение для расчета изменения средней молекулярной массы (Fuller-Rowell and Rees, 1983). Оно решалось самосогласованно с уравнениями движения и теплового баланса и рассматривало термосферу уже как двухкомпонентную смесь, состоящую из молекулярного азота и атомарного кислорода О. Уравнение описывало процессы переноса этих главных компонент и молекулярной и турбулентной диффузии, но не рассматривало появление атомарного кислорода при фото диссоциации молекул Ог Исследования, проведенные с использованием модели UCL, показали необходимость более строгого учета ионосферно-термосферного взаимодействия, особенно для высокоширотных областей. Поэтому следующим шагом стало включение в модель самосогласованного расчета поведения заряженных компонент верхней атмосферы (Fuller-Rowell et al., 1987). В отличие от Эйлеровского подхода, примененного в термосферной части модели, в ионосферной части использовался Лагранжев формализм, то есть уравнения были записаны и решались для плазмы внутри силовых трубок, дрейфующих как единое целое вдоль конвекционных траекторий в солнечно-магнитной системе координат. Система уравнений включала уравнения непрерывности и движения (одномерные - только вдоль плазменной трубки) для ионов 0+ и Н+, а также уравнения непрерывности для молекулярных ионов С 2+, N2+ и NO+ в фотохимическом приближении. Дрейфовые траектории предполагались проходящими вдоль эквипотенциалей электрического поля магнитосферного происхождения, а само это поле задавалось извне эмпирической моделью.
Наиболее мощная на сегодня глобальная теоретическая модель верхней атмосферы Земли разрабатывается в National Center for Atmospheric Research, Boulder, CO. Направление ее развития видно уже из эволюции названия этой модели от первоначального NCAR TGCM - Thermosphere Global Circulation Model (Dickinson et al., 1981) до сегодняшнего TIME-GCM: Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere-Electrodynamics Global Circulation Model. Как и все другие аналогичные модели, она включает уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных компонент верхней атмосферы, но отличается большим количеством компонент и процессов, включенных в самосогласованную схему расчета. Термосферная часть модели рассматривает атмосферу как смесь трех главных газов: Ог, О и N2. Доли молекулярного и атомарного кислорода в смеси рассчитываются из уравнений непрерывности с учетом их появления и исчезновения в процессах фотодиссоциации и рекомбинации и в различных нейтрал-нейтральных и ион-нейтральных химических реакциях. Учитывается температурная зависимость скоростей этих реакций. Концентрация N2 рассчитывается как дополнение суммы уже известных долей Ог и О в атмосферной смеси до 1. Кроме главных компонент нейтральной атмосферы, в термосферной части модели рассчитываются малые, но играющие важную роль в атмосферной химии и тепловом балансе N(2D), N(4S), NO, Не и Аг (также с учетом переноса) (Roble et al., 1987, 1988). Для корректного описания страто-мезосферы модель включает полный расчет концентраций НгО, Нг, СН4, СО, С02 и семейств Ох=(0+03), НОх=(Н+Н02-ЮН) и NOX=(NO+N02), а также расчет 0( D), N( D), Н2О2, Ог( Ag) и 02( 2g) в приближении фотохимического равновесия
Чередование ролей логических файлов с данными "шара" и "трубки" в расчете
После интегрирования уравнения (20) по высоте токового слоя в пренебрежении высотной зависимостью компонент электрического поля в этом слое, задача определения электрического потенциала становится двумерной и решается методом итераций в геомагнитной системе координат. Ионосферные проводимости, необходимые для решения уравнения (20) рассчитываются по стандартным формулам с использованием значений ионосферных и термосферных параметров из первых двух блоков модели.
В качестве входных параметров модели используются следующие: 1) спектры солнечного УФ и КУФ излучения; 2) потоки высыпающихся из магнитосферы энергичных частиц; 3) продольные токи, связывающие ионосферу с магнитосферой, и/или распределение потенциала электрического поля на границах полярных шапок. Для потоков солнечного УФ и КУФ излучения используются данные Иванова-Холодного и Нусинова (1987). Интенсивности ночного рассеянного излучения берутся равными 5kR для к = 121.6 нм и 5R для других линий (ХЯ, = 102.6 нм, 58.4 нм, 30.4 нм).
На верхней границе термосферы (h = 520 км) пространственное распределение потоков высыпающихся электронов задается в виде двух неподвижных относительно местного времени (направления на Солнце) зон: жестких ночных и мягких дневных высыпаний. Энергетический спектр высыпающихся электронов в каждой зоне предполагается максвелловским с характеристическими энергиями 5 кэВ и 300 эВ, соответственно. Обе зоны центрированы на полуденно-полуночный меридиан и могут иметь форму серпа, кольца или овала (кольца, сдвинутого на ночную сторону). Интенсивность высыпаний имеет максимум на заданной широте и уменьшается от него к полюсу и экватору экспоненциально. Также экспоненциально интенсивность спадает по долготе для серповидной зоны; в случае овальной или круговой зоны по долготе интенсивность не меняется. Широту максимума высыпаний можно менять. В качестве магнитосферных источников электрического поля могут быть заданы продольные токи в зонах 1 и 2 и в области каспа (Iijima and Potemra, 1976). Первая зона продольных токов, втекающих в ионосферу на утренней стороне и вытекающих на вечерней, находится на границе полярной шапки (±75 магнитной широты). Вторая зона продольных токов, втекающих и вытекающих противоположно токам зоны 1, располагается к экватору от зоны 1. Пространственное распределение интенсивностей токов во всех зонах варьируется в зависимости от геофизических условий. На входе модели задаются либо все системы продольных токов, либо распределение потенциала на границе полярной шапки и продольные токи каспа и зоны 2.
В блоке нейтральной атмосферы и нижней ионосферы (условно называемом далее "Шар") уравнения (1)-(13) решаются численными методами конечных разностей в сферической геомагнитной системе координат. В расчетах {Намгаладзе и др., 1990, Namgaladze et al., 1988, 1991, 1994) шаги численного интегрирования были 10 по геомагнитной широте, 15 по геомагнитной долготе, переменный шаг по высоте (3 км вблизи h = 80 км, 5 км вблизи h = 115 км, 15 км вблизи h — 220 км, 25 км вблизи h = 330 км, 40 км вблизи h = 500 км, 100 км вблизи h = 1000 км, и т.д., всего 30 уровней в высотном диапазоне от 80 до 520 км) и по времени 5 минут.
Параметры нейтральной атмосферы, рассчитанные в сферической геомагнитной системе координат, интерполируются в узлы разностной сетки магнитной дипольной системы координат, чтобы рассчитывать параметры ионосферной Р2-области и протоносферы (в блоке программы, условно называемом далее "Трубка"). Использовались следующие шаги в этой сетке: 5 или 8 по широте у оснований силовых линий на высоте 175 км, 15 по долготе и переменный шаг вдоль силовой линии геомагнитного поля. Число узлов сетки вдоль В меняется от 9 на самой низкоширотной силовой линии до максимального значения 140 на силовой линии с L = 15. В свою очередь, необходимые параметры ионного и электронного газов передаются в блок нейтральной атмосферы из блока ионосферной Р2-области и протоносферы, который использует электрическое поле из блока расчета электрического поля. В этом последнем блоке использовалась двумерная сетка с шагами 5 по широте и 15 по долготе.
Расположение узлов сеток "шара" и "трубки" калининградской модели в плоскости вертикального разреза вдоль меридиана можно видеть ниже, на рис. 3.4 и 3.5 (там они обозначены "5- - 10-градусная сетка"). Таким образом, калининградская глобальная самосогласованная модель системы термосфера - ионосфера - протоносфера Земли (ГСМ ТИП) по ряду признаков превосходит зарубежные аналоги. Она включает в совместное рассмотрение ионосферу, термосферу плазмосферу и электрические поля. Но по своему пространственному разрешению эта модель имеет ограничения, существенно затрудняющие применение ее для исследований реальных ситуаций в высокоширотной (авроральной и субавроральной) верхней атмосфере.
Описанная в предыдущей главе глобальная теоретическая модель системы термосфера - ионосфера - протоносфера Земли была реализована в виде фортран-программы для ЕС ЭВМ. При переносе ее на вычислительные средства Полярного геофизического института программа модели была подвергнута серьезной переработке. Главной ее задачей было дополнить модель возможностью адекватного воспроизведения физических процессов в высокоширотной области, которые отличаются пространственными и временными масштабами от средне- и низкоширотных. Это потребовало внесения глубоких изменений в используемые в модели пространственные сетки и разностные алгоритмы. Кроме того, воспроизведение высокоширотных процессов заставило соответственно переработать методы задания входных данных для моделирования: потоков высыпающихся частиц и распределения электрического потенциала.
Одновременно в программу модели были внесены и другие изменения, имевшие целью повысить ее быстродействие и надежность работы. Еще одним направлением модификации модели была разработка полного комплекса вспомогательных программ-утилит для работы с ней, работающих "прозрачно" для пользователя и позволяющих ему не задумываться о тонкостях реализации сеточных методов и использованных в данном расчете пространственных сетках, а работать с данными модели как с единым непрерывным распределением моделируемых параметров, охватывающим всю описываемую область пространства.
Сравнение результатов модельных расчетов для спокойных условий с эмпирическими моделями
Все участвующие в расчете данные: глобальные распределения параметров "шара", "трубки", потенциала, интерполяционные массивы - постоянно хранятся в оперативной памяти машины. Обращение к диску производится только для записи новонасчитанных состояний, причем уже в виде логических файлов стандартного формата, с добавлением метки времени. Для еще большего повышения скорости работы исключены перекопирования выходных глобальных массивов во входные при переходе к новому шагу по времени: они просто меняются своими ролями в расчете, и новые данные на следующем шаге записываются поверх начального состояния предыдущего шага. Для этого применена система указателей на входные и выходные данные. Работает она следующим образом.
При трансляции программы объявляется глобальный массив PAR для размещения рассчитываемых параметров размера, равного утроенному наибольшему из размеров наборов данных "шара" и "трубки". Объявленный так массив PAR достаточен, чтобы разместить три глобальных распределения параметров "шара" или "трубки", и в подпрограммах нижних, расчетных уровней используется как три отдельных глобальных массива (независимых набора данных). Создаются также 3 переменных целого типа IIN, IOUT и IZAN, играющих роль указателей на эти три части массива PAR. При запуске программы переменные-указатели инициируются, и в 1-ю (IIN) часть массива PAR записывается (читается с диска или рассчитывается в зависимости от задания) начальное состояние "шара", в 3-ю (IZAN) — начальное состояние "трубки". Во 2-ю (IOUT) часть массива в ходе расчета записывается новое состояние "шара".
По окончании расчета "шара" указатели циклически переставляются так, что IIN указывает на начальное распределение параметров "трубки", IZAN - на новонасчитанное распределение параметров "шара" и IOUT — на место, где ранее было записано исходное распределение параметров "шара": оно больше не нужно, и на это место будет записано новое распределение параметров "трубки".
Передвижки переменных-указателей производятся вышеописанным образом на каждом шаге по времени, так что все время указатель IIN указывает на входное для текущей части расчета ("шара" или "трубки") состояние, IOUT - на выходное, а IZAN - на часть массива PAR, занятую неиспользуемым сейчас состоянием другой части модели (соответственно, "трубки" или "шара").
Нижние расчетные подпрограммы получают через параметры при вызове адреса начала в оперативной памяти мест, где расположено исходное состояние (т.е. элемента PAR ( 1, IIN)), и куда записывать результат расчета (т.е. элемента PAR( l,IOUT)). В списке формальных параметров они обозначены как начала отдельных глобальных массивов (их имена различны в различных подпрограммах: PAR, PARI, PGL), т.е. нижние подпрограммы "не знают", что работают с частями одного большого массива, и мало того, на последующих шагах по времени входной и выходной массивы физически окажутся расположены уже на других местах в памяти, но расчетные подпрограммы будут работать правильно. Этот механизм позволяет не перекопировать данные в ОП с места на место при переходе к следующему шагу по времени, а только переставить указатели, что повышает скорость работы программы.
На самом деле механизм работы указателей на массивы в ОП несколько более сложен, так как он учитывает возможность нескольких итераций при расчете "шара" и нескольких шагов по времени "трубки" (DTT) внутри одного шага по времени "шара" (DTS), или же отказа от расчета дрейфа. Но это усложнение сводится к взаимной перестановке перед каждым повторением этапа расчета ("шара" или "трубки") указателей IIN и IOUT, a IZAN не изменяется.
Попутно отметим, что аналогичная описанной передача в подпрограммы части глобального массива как отдельного массива используется еще во многих местах программы модели для унификации подпрограмм "трехплоскостного" и "теоретического" вариантов и для уменьшения числа индексов в массивах (размерности массивов), передаваемых как формальные параметры подпрограмм, что ускоряет обращение к их элементам.
Массивы интерполированных параметров PARI (для параметров "трубки", интерполированных в узлы сетки "шара", и для параметров "шара", интерполированных в узлы сетки "трубки") также занимают одно и то же место в ОП компьютера. В головной вызывающей программе для массива PARI резервируется место, достаточное для размещения наибольшего из этих массивов. Перед началом первого расчета "шара" в эту область памяти записывается (читается с диска или интерполируется из массива PAR с данными "трубки") массив параметров "трубки", интерполированных в узлы сетки "шара", и производится расчет "шара". Если нужно, делаются несколько итераций по "шару", массив PARI при этом не обновляется. По окончании расчета "шара" интерполированные параметры "трубки" больше не нужны, и в ту же область ОП записывается массив параметров "шара" (новое их распределение), интерполированных в узлы сетки "трубки". Он используется при расчете нового состояния "трубки". Если делается несколько шагов по DTT, то при всех них используется одно и то же состояние "шара" - массив PARI не обновляется. По окончании расчета "трубки" перед переходом к новому шагу по DTS новое состояние "трубки" интерполируется в узлы сетки "шара", затирая в ОП ненужный далее массив интерполированных параметров "шара", и цикл повторяется.
В связи с переносом модели на новые высокопроизводительные ЭВМ с большой RAM в программе были сделаны изменения с целью повышения скорости ее работы путем максимального использования возможностей машины. Основным направлением этой переработки было предельное сокращение обращений к диску -самой медленной операции - за счет возможно большего использования оперативной памяти.
В результате был создан т.н. "глобальный" вариант программы. В нем все участвующие в расчете данные: глобальные распределения параметров "шара", "трубки", потенциала, интерполяционные массивы - постоянно хранятся в оперативной памяти машины. Обращение к диску производится только для записи новонасчитанных состояний, причем уже в виде логических файлов стандартного формата, с добавлением метки времени.
Для еще большего повышения скорости работы исключены перекопирования выходных глобальных массивов во входные при переходе к новому шагу по времени: они просто меняются своими ролями в расчете, и новые данные на следующем шаге записываются поверх начального состояния предыдущего шага. Для этого применена система указателей на входные и выходные данные.
В целях максимальной совместимости с прежними версиями программы переработкой были затронуты только подпрограммы верхних уровней. Нижние, собственно расчетные, подпрограммы оставлены прежними: они просто "не знают", что получают не отдельный плоскостной массив расчетных параметров, выбранный из глобального распределения, а прямо часть глобального массива, относящуюся к этой долготной плоскости. Такая идеология позволила легко и естественно подключить глобальный вариант теоретической термосферы в виде сменного модуля "шара" с таким же точно вызовом, как и в плоскостном варианте.
Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время длительных усилений магнитосферного электрического поля (геомагнитных бурь)
Чтобы выяснить, насколько можно сблизить рассчитанные и наблюдаемые вариации температуры термосферы и нейтрального состава над ЕИСКАТ за счёт джоулева разогрева, мы провели расчёты с увеличенными в 8 раз амплитудами продольных токов, что привело к росту разности потенциалов электрического поля поперёк полярной шапки от 10 до 40-100 кВ (в зависимости от UT) и, соответственно, к значительному усилению джоулева разогрева термосферы.
Расчёты проведены для четырёх последовательных суток, в течение которых сохранялись постоянные повышенные значения продольных токов. Результаты расчётов представлены на рис.4.19-4.20 для высоты 279 км вместе с соответствующими вариациями из модели МСИС-86 и данными наблюдений ЕИСКАТ для спокойного дня 24 марта 1987 г. Использовались шаги численного интегрирования: 2 градуса по широте ("мелкая" сетка) и 1 минута по времени.
Из нижнего левого графика рис.4.19 видно, что на четвёртые сутки нагрева рассчитанная температура термосферы лишь в ночные часы отличается (примерно на 30К) от МСИС-86. Что касается нейтрального состава (средний столбец на рис.4.19 справа), то в результате джоулева разогрева заметно увеличилось содержание молекулярных компонент при слабых изменениях концентрации атомарного кислорода (как и ожидалось), и согласие со МСИС-86 в целом улучшилось. Максимальные отличия от МСИС-86 (до двух раз) имеют место для концентрации молекулярного азота, концентрация атомарного кислорода в расчётах занижена до 25%, а молекулярного завышена до двух раз. В целом, однако, по всем параметрам термосферы согласие расчётов с данными МСИС-86 после четырёх суток джоулева нагрева стало значительно лучшим по сравнению с исходным вариантом, рассчитанным в "грубой" сетке (штриховые кривые BFS), хотя ещё и не вполне удовлетворительным. Что касается рассчитанных в этом варианте ионосферных параметров -концентрации и температуры заряженных частиц (рис.4.19, графики слева вверху и справа), то их поведение соответствует скорее возмущённому состоянию с заниженными значениями электронной концентрации и завышенными значениями электронной и ионной температур, что вполне естественно для поддерживавшихся высокими значений электрических полей. Действительно, после ослабления продольных токов в 4 раза на четвёртые сутки температура термосферы ещё продолжает повышаться даже и на пятые сутки (ср. кривые 4d и 5 на нижнем левом графике рис.4.20), но слабо, нейтральный состав при этом почти не меняется (рис.4.20), тогда как электронная и ионная температура падают (правые графики рис.4.20), а концентрация электронов возрастает (ср. кривые 4d, 4 и 5 на верхнем левом графике рис.4.20).
Вторым (после джоулева) высокоширотным источником нагрева термосферы являются высыпающиеся мягкие электроны. Их влияние на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ исследовано путём проведения численных расчётов с увеличенными в 4 и 10 раз потоками высыпающихся электронов с характеристической энергией 0,2 кэВ. Результаты расчётов представлены на рис.4.21. Из них видно, что высокоширотная термосфера в течение двух-трёх часов откликается на действие этого источника. Температура термосферы в максимальном варианте (10-кратное увеличение высыпаний) возрастает примерно на 80К, превышая значения из МСИС на эту величину, концентрации атомарного кислорода и молекулярного азота приближаются к значениям МСИС снизу, а концентрация молекулярного кислорода отходит от МСИС к более высоким значениям.
В этих же вариантах расчётов с увеличенными в 4 и 10 раз потоками высыпающихся 0,2-кэВных электронов можно проследить влияние высыпаний мягких электронов на концентрацию и температуру электронов и ионов в Р2-области над ЕИСКАТ (рис.4.21). Из рисунков легко видеть, что влияние мягких высыпаний на поведение заряженных частиц существенно отличается от влияния на параметры термосферы зависимостью от местного времени: днём оно значительно слабее, чем ночью, когда эффекты высыпаний составляют разы в электронной концентрации и сотни К в электронной температуре. Реакция ионной температуры на мягкие электронные высыпания определяется, главным образом, реакцией температуры термосферы, ход которой повторяет ионная температура.
Следует заметить, что в представленных на рис.4.21 расчётах увеличивалась только интенсивность высыпаний, максимум которых располагался на фиксированной геомагнитной широте 74 градуса, а полуширина зоны сохранялась равной пяти градусам, так что над ЕИСКАТом (геомагнитная широта 67) высыпания, хоть и возрастали в 4 и 10 раз, но всё же оставались сравнительно слабыми, чем по-видимому, и объясняется "недотягивание" рассчитанных значений электронной концентрации в вечернем секторе до наблюдавшихся.
Влияние сдвига широты максимума высыпаний с 74 на 69 с одновременным усилением интенсивности в 4 раза иллюстрируется результатами расчётов, представленными на рис.4.22 (кривые 7t), в которых электронная концентрация ближе всего к наблюдаемой. Полуширина зоны в этих расчётах оставалась равной пяти градусам, что допускает её увеличение и соответствующее усиление эффектов надЕИСКАТ.
Первоначально модель использовалась, главным образом, для исследования процессов, протекающих выше 100 км, но когда стали доступны измерения интенсивности рассеяния турбулентной энергии, проведенные на VHF радарной установке EISCAT, модель была расширена на область мезосферы. Для этого в нее была инкорпорирована эмпирическая модель MSISE-90 (Hedin, 1991) взамен использовавшейся ранее MSIS-86 (Hedin, 1987). Это (вкупе с описанной в предыдущей главе модификацией модели в части повышения пространственного разрешения) позволило опустить нижнюю границу модели с 80 до 60 км.
Результаты моделирования сезонной вариации скорости диссипации турбулентной энергии на высотах 80-90 км были представлены в работе Hall et al. (1997b). Предполагалось, что скорость диссипации турбулентной энергии є связана с коэффициентом турбулентной диффузии К соотношением где сов = {[{у- \)/ у\ {g/Н)} - частота Бранта-Вяйсяля, Н = (kT) I (tng) - шкала высот, у - отношение теплоємкостей Cp/Cv, а С - константа, для которой использовалось значение 0.81, предложенное в работе Weinstock (1982). Сезонные зависимости максимального (в высотном ходе) значения К и высоты его максимума были получены интерполяцией значений из работы Danilov and Kalgin (1996), при этом широтная зависимость была получена линейной интерполяцией, а для сезонного хода предполагался синусоидальный вид с экстремальными значениями в моменты солнцестояний. Однако форма высотных профилей, предложенная Danilov and Kalgin (1996), не согласуется с Hocking (1990), поэтому мы использовали аналитическое представление профилей из Shimazaki (1971):
