Введение к работе
Актуальность, темы, При переносе вещества и электромагнитных полей от' Солнца к Земле очень важным и активным звеном является часть земной атмосферы, расположенная на ионосферных высотах от примерно 80 км до 500 км над земной поверхностью, в которой количество ионизованных частиц достаточно велико, чтобы оказывать заметное влияние как на распространение радиоволн, так и на взаимодействие заряженных и нейтральных частиц,
Здесь посредством . крупномасштабных систем ветров (движение нейтрального 'газа). дрейфов заряженных частиц, электрических полей и токов непрерывно осуществляется связь областей околоземного космического пространства - магнитосферы, плазмосферы. ионосферы - с нижележащими слоями нейтральной атмосферы. При этом, процессы динамики и электродинамики протекают во взаимодействии с другими природными процессами, определяющими состояние среды - термодинамическими, фотохимическими, метеорологическими, геологическими, -естественный ход которых в последние годы начинает модифицироваться вследствие неконтролируемого роста темпа и масштабов промышленной и бытовой деятельности человека.
Существенным свойством изучаемой системы является ее "открытость" в классическом смысле, что. совместно с зависимостью процессов от их предыстории и нелинейностью реакции на действие внешних факторов, ведет к принципиальной неповторяемости течения событий в сходных гео-гелиофизических услозиях. Это приводит к необходимости иметь Для выделения закономерностей поведения динамических характеристик ионосферного газа достаточно репрезентативные наборы предварительно расклассифицированных данных.
Надежные знания о параметрах скоростей естественных макроскопических движений нейтральной и ионизованной компонент ионосферной плазмы, необходимы как для построения физических и инженерных моделей верхней атмосферы в естественных условиях и при активных воздействиях, исследования физической природы взаимодействия различных атмосферных слоев, так и для решения ряда прикладных задач: разработки и эксплуатации аэрокосмических систем; обеспечения работы систем связи, использующих ионосферное распространение радиоволн; совершенстрованич.методов долгосрочно го прогноза погоды и климата; изучения и прогноза глобальных дол-
ГОВреМеНПЫХ ТреНДОВ Изменения СОСТОЯНИЯ ОКОЛ'ОЗе^НОГО КОСМИЧЕСКОГО
пространства.
Бот почему вопросы, ' связанные со всесторонним теоретическим и экспериментальным анализом движений в ионосфере, традиционно занимают важное место з международных и национальных программах и проектах геофизических и космических исследований.
Это является свидетельством того, что исследование динамических проііеосов на ионосферных высотах'является актуальной и важной проблемой, имеющей большое научное и прикладное значение.
Изучение крупномасштабных характеристик динамического режима были начаты автором в 1970 году. В цикле работ, которые Легли в основу кандидатской диссертации, защищенной в 1976 г, была сделана первая попытка обобщения накопленной в Институте- солнечно-земной физики СО РАН информации о горизонтальных-дрейфах неоднород-ностей ионизации, полученной на мировой сети станций, и, - по инициативе диссертанта, была показана возможность объяснения наблюдаемых в эксперименте среднесуточных движений Плазмы в F-облас-ти в рамках механизма кинематического динамо (генерации : электриг ческих полей на высотах области Е и проникновения их вверх) в приближении "тонкого" слоя.
Опыт этой работы позволил выделить ряд перспективных направлений дальнейшего развития исследований динамического режима.
Первым из них являлось проведение систематических наблюдений, разработка и внедрение новых методов статиотического анализа экспериментальной информации, основывающихся на использовании вычислительных средств. Важными вопросами в связи с этим были накопление текущей наблюдательной информации в машиночитаемое виде и перевод в машинночйтаемые'формы масс архивных1 данных. Значительный интерес представляло изучение иных, нежели средних для ионосферного слоя суточных, как это традиционно, рассматривалось ранее,'вариации характеристик динамического режима, таких, например, как высотные, Uf-вариации, изменения "Параметров движений в зависимости от'солнечной и геомагнитной активности','' знака полярности ММП и т.д. Весьма перспективным ' направлением работ было рассмотрение возможностей прогноза параметров ветра.'
Как следовало из общих теоретических соображений и независимых экспериментальных сведений, наблюдаемые параметры динамического режима ионосферы формируются под действием совокупности'- ди-
намических и электродинамических факторов, и зависят от распределения параметров атмосферы, определяющих коэффициенты переноса нейтрального газа и ионизации. В связи с-этим, вторым направлением исследований, представляющим значительный интерес, было решение задач извлечения из экспериментальных данных о скоростях горизонтальных дрейфах неоднородностей ионизации. измеренных методом разнесенного приема, при использовании современных сведений о морфологии ионосферы и термосферы и механизмах формирования динамических систем, очень важной геофизической информации с крупномасштабных ветрах и электрических полях на ионосферных вы-ортах,
Третье направление исследований - создание теоретического описания крупномаситабтмх систем ионосферной динамики и электродинамики в рамках численной модели. Решение данной проблемы предполагало в качестве первого этапа наработку методик численного решения задач генерации электрических полей в трехмерной неоднородной ионосфере, самосогласованного расчета ветров и электрических Полей, изучение особенностей глобального распределения источников ионосферного динамо на высотах Е и F областей.
Работы в отмеченных выше направлениях были проведены в 1976-1992 гг. Обобщение полученных при этом результатов выполнено в настоящей диссертации.
Цель работы состоит в количественном описании пространственной структуры динамического режима ионосферы и связанного с ним электрического поля при различных гео- и гелиофизических условиях. Основой исследований были обобщение наблюдательных данных, развитие методов анализа, прогноза и теоретического описания крупномасштабных систем ионосферной динамики и электродинамики.
Решение этой проблемы включало рассмотрение следующих задач:
- изучение по данным измерений ионосферных ветров и дрейфов,
полученных с помощью метода D1 на мировой сети станций, гео- и
гелиофизических вариаций скоростей движений в средне- и низкоши
ротной ионосфере;
- исследовании возможности статистического прогноза скоростей ветра в D области ионосферы;
- разработку методик оценки ветров и электрических полей б F,
и F областях ионосферы по данным экспериментальных наблюдений го
ризонтальных ионосферных дрейфов;
- создание диагностической чиолйнноі; модели динамики и
электродинамики ионосферы и выполнение с ее помошью исследованил
закономерностей формирования глобальных систем ветров, дрейфоп.
токов и электрических полей в области высот 90-350 км.
Научная новизна работы определяется тем, что впервые
Получена наиболее полная в настоящее" время модель горизонтального переноса неоднородностей ионизации на высотах Е и F областей ионосферы, аналитическое опиоание которой реализованно в виде программ для ЭВМ, ставшая частью Международной справочной модели ионосферы (IRI-1990).
На значительном экспериментальном материале измерений ионосферных ветров и дрейфов в Восточной Сибири в 1958-1986 гг. исследованы региональные особенности изменений динамического режима в зависимости от высоты, сезона, местного времени, уровня солнечной активности, геомагнитной возмущенности, смены знака полярности ММП.
Предложены способы прогноза среднесуточных -значений скоростей преобладающего горизонтального ветра в D области ионосферы с использованием линейной регрессионной статистической модели, в которой .в качестве предикторов используются коэффициенты разложения компонент скорости по естественным ортогональным функциям, а также сами эти функции.
Развиты методики расчета ветров и электрических полей, в верхней ионосфере из наблюдений горизонтальных ионосферных дрейфов методом D1.
Изучены особенности проявлений физических факторов, связанных с динамо-действием термосферных ветров: роль потенциальных электрических полей при формировании ветровых систем на ионосферных высотах, генерация потенциальных электрических полей регулярным горизонтальным ветром, пространственно-временная структура функции динамо-источников.
Разработана и реализована на ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС-1061 численная модель динамики и электродинамики ионосферы позволяющая рассчитывать крупномасштабные скорости движений нейтрального газа, дрейфа электронов и ионов, а также электрические поля и токи на высотах Е и F областей ионосферы в невозмущенных геомагнитных условиях при заданных параметрах нейтральной атмосферы, ионосферы, магнитного поля и внешнего (по отношению к рассматриваемой облас-
ти пространства) электрического поля.
Научная и практическая значимость работы заключается в том. что результаты проведенных исследований, обобщенные в настоящей диссертации, расширяют и сущесственно дополняют знания об особенностях протекания динамических и связанных с ними электродинамических процессов на высотах среднеширотной ионосферы при различных гео- и гелиофизических условиях, дают новые методические возможности для их изучения. Результаты работы можно использовать
при математическом моделировании атмосферы, ионосферы, самосогласованном расчете глобальных распределений ветров, дрейфов, электрических полей и токов на ионосферных высотах;
при интерпретации результатов натурных измерений динамических и электродинамических параметров околоземного космического пространства;
при построении моделей верхней атмосферы и ионосферы, имеющих прогностический характер;
при исследовании глобального переноса загрязнений в верхней атмосфере и связанного с ним комплекса процессов, определяющих деградацию среды.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Разработка и реализация динамической части Международной справочной модели IRI-1990.
-
Результаты статистического анализа данных радиофизических измерений горизонтальных дрейфов методом разнесенного приема, проводившихся на ст. Бадары и Иркутск, которые позволили установить морфологические -особенности пространствено-временных изменений систем ионосферных движений над югом Восточной Сибири, в том числе закономерности реакции параметров переноса на изменение уровней солнечной активности, геомагнитной возмущенное и смену знака полярности ММП.
-
Методики прогноза характеристик преобладающих ветров в D области ионосферы с использованием линейной регрессионной модели.
-
Методики получения из экспериментальных данных о скоростях дрейфа информации о крупномасштабных ветрах и электрических полях.
-
Разработка к реализация пакета прикладных программ, представляющего собой теоретическую модель динамики и электродинамики ионосферы, и исследование с его помощью закономерностей
формирования глобальной динамической системы.
Методы исследования. Достоверность результатов.
В качестве основных методов изучения параметров динамического режима и сзязанных с ними характеристик электрического состояния ионосферы используются (а) радиофизические методы получзния информации о ветрах и дрейфах; (б) методы математического моделирования для описания пространственно-временных вариаций параметров ионосферной динамики и электродинамики в рамках детерминированного подхода; (в) методы статистического анализа и синтеза для выявления закономерностей поведения характеристик среды, полученных в натурных и численных экспериментах; (г) методы статистического прогноза скоростей ветра. При реализации этих методов широко использовались ЭВМ и ПЭВМ.
Достоверность полученных результатов обусловлена Физически и математически обоснованным выбором методов статистического и детерминированного моделирования, использованием достаточно больших рядов данных наблюдений и численных экспериментов, позволяющих сделать достоверные количественные оценки исследуемых параметров, и подтверждается сравнением полученных нами статистических характеристик движений и результатов модельных расчетов с данными независимых экспериментов и теоретическими оценками других авторов.
Личный вклад.
При выполнении статистического анализа динамического режима были использованы результаты наблюдений параметров горизонтальных ионосферных движений, проводившихся в экспедиционных условиях юга Восточной Сибири, в которых автор систематически участвовал с 1968 г.
Ряд экспериментальных и теоретических исследований, представленных в диссертации, выполнены автором самостоятельно.
Автор являлся инициатором, руководителем и непосредственным участником работ, связанных с получением информации о ветрах и электрических полях по данным дрейфовых измерений, разработкой численных моделей динамики и электродинамики.
В совместных работах, посвященных статистическому анализу и прогнозу параметров динамического режима, автор участвовал в постановке задач, разрабатывал все алгоритмы и программы для ЭВМ, выполнял расчеты, проводил анализ и интерпретацию результатов.
Соавторы публикаций - сотрудники ИСЗФ, студенты Иркутского
государственного университета, - дали равные вклады при выполнении совместных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введе ния, пяти глав и заключения, содержит 380 страниц основного текста, 96 рисунков и 21 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 507 наименований.