Введение к работе
Актуальность проблемы. Возрастающий интерес к исследованию высокоширотной и субавроральной ионосферы обусловлен как, сточки зрения науки, так и практики.
В научном отношении эти области ионосферы менее изучены по сравнению со среднеширотной. Здесь протекают процессы, отсутствующие в других широтных зонах. Так, высокоширотная ионосфера, к которой относят ионосферу на геомагнитных широтах А > 65" , включающих авроральную зону (А : 65 ~- 75 ) и полярную шапку (А > 75 ), наиболее тесно связана с магнитосферой и протекающими в ней процессами, а через нее и с солнечным ветром. Главными особенностями высокоширотной ионосферы являются: высыпание энергичных частиц из магнитосферы, существование электрических полей магни-тосферного происхождения и полярного ветра - сверхзвукового истечения легких ионов из полярной шапки. А в субавроральной ионосфере (А : 55 -г 65 ), которая является переходной областью от средних широт к высоким, протекают процессы формирования плазмонаузы -опустошение и наполнение геомагнитных силовых трубок, опирающихся на широтах данной области. Исследование роли этих процессов в формировании крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроральной ионосферы составляют важную научную задачу. С другой стороны, крупномасштабная структура этих областей ионосферы полностью определяет характер распространения радиоволн как на местных полярных, так и на трансполярных радиотрассах. Прогноз состояния ионосферы вдоль этих радиотрасс, а также навигация космических аппаратов, являются важными народнохозяйственными задачами.
Успешное решение этих задач предполагает создание математической модели, адекватно описывающей морфологию высокоширотной и
4 субавроральной ионосферы как сложной системы, находящейся в плазменном состоянии. Создание такой модели представляет собой сложную проблему, для решения которой требуется решить систему многомерных нестационарных нелинейно взаимосвязанных уравнений многокомпонентной магнитной гидродинамики в переменных Эйлера (эйлеров подход), учитывающих все основные физико-химические процессы, протекающих в данном районе ионосферы. К началу исследований автора решение такой задачи считалось преждевременным и практически неосуществимым по техническим причинам. Поэтому начиная с работы Кнудсена (1974), бурное развитие получил другой подход, аналогичный использованию лагранжевых переменных в гидродинамике (лагранжев подход), и существенно упрощающий исходную задачу. Он иснован на решении всего лишь пространственно одномерных уравнений непрерывности для ионов с учетом диффузии и полярного ветра в системе координат, дрейфующей вместе с плазмой вдоль траекторий конвекции. Следует отметить, что с помощью данного подхода впервые исследована роль магнитосферной конвекции в формировании пространственных структурных форм высокоширотной ионосферы. Вместе с тем, как показано в последующих разделах работы, ему присущи ограничения, связанные с рядом допущений, не позволяющие достичь высокой степени адекватности модели реальной среде.
Цель работы. Целью данной работы является создание трехмерной нестанцион&рной модели высокоширотной и субавроральной ионосферы для интервала высот от 120 до 500 км с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов на основе обобщенной системы многомерных уравнений магнитной гидродинамики в переменных Эйлера и исследование на ней механизмов формирования основных крупномасштабных структурных образований рассматриваемой обла-
5 сти ионосферы, что представляет собой решение крупной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Метод исследовал ия основан на численном решении системы многомерных нестанционарных уравнений модели с начальными и краевыми условиями с последующим сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна данной работы заключается как в подходе к моделированию высокоширотной ионосферы, так и в полученных результатах:
1. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель вы
сокоширотной и субавроралыюй ионосферы на основе обобщенной си
стемы многомерных уравнений магнитной гидродинамики в перемен
ных Эйлера, позволяющая описывать их крупномасштабные структу
ры при разных гелио-геофизических условиях и удовлетворяющая еле-.
дующим основным требованиям:
а) включаются все основные крупномасштабные процессы, проте
кающие в ионосфере на этих широтах в интервале высот 120-500 км;
б) учитывается несовпадение географического и геомагнитного по
люсов;
в) учитывается взаимосвязь между высокоширотной, субаврораль-
ной и среднеширотной областями ионосферы;
г) математическая сложность модели должна быть ограничена ра
зумными пределами, с тем чтобы была возможной ее практическая
реализация на доступных вычислительных средствах.
-
Разработан алгоритм численного интегрирования многомерных нестационарных моделирующих уравнений на основе метода суммарной аппроксимации в сочетании с методами прогонки.
-
На данной модели установлен ряд закономерностей и явлений,
м
» I
протекающих в ионосферной плазме, как, например,
а) каление "полной тени" в верхней атмосфере Земли,
б) эффект "отрыва" языка ионизации,
в) эффект асимметрии плазмопаузы в проявлении "дыр" в ионосфе
ре,
г) круглосуточное проявление главного ионосферного провала в во
сточном полушарии,
д) UT- контроль крупномасштабной структуры высокоширотной и
субавроралыюй ионосферы.
4. По результатам численных экспериментов сформулированы механизмы формирования главного ионосферного и дневного провалов ионизации.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физически обоснованной постановкой задачи, правомерностью принятых допущений при разработке математической модели, оценками применимости используемых методов численного интегрирования системы уравнений модели и степени адекватности результатов численных экспериментов на основе сравнения с экспериментальными данными и с результатами, полученными другими авторами.
Научная и практическая значимость 'работы заключается прежде всего в том, что реализация эйлеров- подхода к моделированию высокоширотной ионосферы открывает новые возможности построения моделей с высокой степенью адекватности реальной среде, с помощью которых могут быть осуществлены более полные и глубокие исследования физико-химических процессов, протекающих в ионосферной плазме высоких широт. Разработанная модель используется для интерпретации результатов экспериментальных исследований, получаемых с помощью как наземных радиофизических методов, так и искуственных
спутников Земли. Разработанный алгоритм численного решения системы моделирующих уравнений может бьпь использован и используется для решения подобных многомерных задач в задачах ионосферного моделирования.
Настоящад модель може г быть использована также для целей оптимального планирования дорогостоящих экспериментальных исследований и для совершенствования прогноза состояния высокоширотной ионосферы.
На запдіту выносятся:
1. Трехмерная нестационарная модель высокоширотной и субавроральной ионосферы, позволяющая адекватно описывать крупномасштабную структуру моделируемой среды в интервале высот 120-500 км на основе уравнений магнитной гидродинамики в переменных Эйлера в спокойных условиях.
-
Алгоритм численного интегрирования системы многомерных уравнений в задачах математического моделирования ионосферных процессов, на основе экономичных методов - методов расщепления.
-
Результаты численных экспериментов на ЭВМ по исследованию закономерностей и явлений в ионосферной плазме, установленных впервые на данной модели, а именно:
а) эффекты несовпадения географического и геомагнитного полю
сов,
б) явление "полной тени" в верхней атмосфере Земли и его след
ствия.
4. Результаты численных экспериментов на ЭВМ по исследованию
механизмов формирования и эволюции основных крупномасштабных
образований области F высокоширотной и субавроральной ионосферы
при различных гелио-геофизических условиях, установленных ранее
8 агеримеНтально, а именно:
а) языка ионизации, аврорального и полярного Ликов, полярной по
гости;
б) Главного ионосферного я дневного провалов в широтном ходе
электронной концентрации.
Реализация результатов. Основные результаты исследований использованы при выполнении НИР по Постановлениям ГКНТ при СМ СССР, Госплана СССР и АН СССР (N 430 от 26.11.76 г. и N475/251/131 от 12.12.80 г.), проводимых СФТЙ При Томском госунй-верситете, и при выполнении хоздоговорных рабо*.
Отдельные результаты включены в спецкурсы да физике йоносфе-ры и в ряде монографий ведущих ученых.
Апробация работы. Основные результаты диссертаций докладывались и обсуждались на Всесоюзных семинарах по математическому моделированию ионосферы (Тбилиси, 1980; Томск, 1982; Ростов-taa-Дону, 1986; Звенигород, 1988; Казань, 1990), на Всесоюзных совещаниях по моделированию йолярной ионосферы (Мурманск, 1980; 1984), на Всесоюзных совещаниях По крупномасштабной структуре субаяро-ральной ионосферы (Якутск, 1981) й по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли (Обнинск, 1985), иа региональных научно-технических конференциях "Ионосфера и распространение радиоволн" и "ЭВМ и науки о Земле" (Новосибирск, 1985; 1988), совещании по неоднородностям ионосферы (Якутск,1988), на XVI и XVH Всесоюзной конференциях по распространению радиоволн (Харьков, 1990: Ульяновск, 1993), на Международной школе по физике ионосферы (Сочи, 1990), на V Международном симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (г.Самарканд), на XX и XXI Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Пиза, Италия, 1991; Бохум,
9 Германия, І993), на республиканских научно-технических конферс-ыиях Якутск, а также на семинарах ряда научных учреждений стран;. (СФТЙ при ТГУ, СибИЗМИР, ИКФИА, КрГУ и др.).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 23Q страмив машинописного текста, рисунков - 65 страниц список литературы включает 205 наименований.