Возбужденные частицы и структура ионосферы Павлов, Анатолий Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. В верхней атмосфере возбужденные частицы образуются при взаимодействии нейтральных компонентов с солнечным излучением, вторгающимися электронами, тепловыми электронами, а также в химических реакциях. Образование возбужденных частиц приводит к возникновению свечения атмосферы. Наземные, спутниковые и ракетные наблюдения этого свечения позволили получить многочисленные данные о структурэ и динамике нейтральной атмосферы и ионосферы. Среди возбужденных составляющих атмосферы можно выделить группу возбужденных компонентов, оказывающих влияние на структуру ионосферы : на распределение с высотой, широтой и долготой концентрации N_e и температуры Т_е электронов. Это - электронно-возбужденные ионы атомарного кислорода в состояниях ²D,²P, молекулы азота на уровне А³5^ и молекулы кислорода в состояниях а¹л_,Ь¹Ед, атомы 0(¹D), колебательно-возбужденные ИОНЫ 1^^),02(7),110^7) и молекулы N^v),O^v), вращательно-возбуждешше молекулы О*. Взаимодействие между возбужденными частицами и структурой ионосферы зависит от сорта возбужденных частиц, области высот, изменяется с широтой, долготой, сезоном, вре;.:энем суток, в цикле солнечной активности, при переходе от спокойных к возмущенным условиям. Поэтому проблема теоретического описания распределений возбужденных составляющих атмосферы и исследование механизмов воздействия возбужденных частиц на структуру ионосферы является одной из ключевых в физике ионосферы.

Построенные к настоящему времени теоретические модели ионосферы весьма противоречивы. В одних случаях утверждается, что только с учетом возбужденных частиц можно согласовать рассчитанные и измеренные N_e,T_e, в друпя случаях делаются прямо противоположные выводы. Такая ситуация возникает в силу того, что теоретические модели ионосферы имеют много входных параметров, измеренных с определенными ошибками. Часть входных параметров ('например, потоки солнечного излучения, концентрации основных нейтральных компонентов, температура верхней атмосферы ) вычисляются с помощью корреляционных связей с геомагнитными индексами. Точность этих связей трудно сцепить.

- A -

Поэтому, неучат в модели возбужденных частиц в ряде геофизических ситуагкй можно компенсировать подбором соотствующих входных параметров. Поскольку взаимодействие возбужденных частиц с ионосферой различно в различных гелиогеофизических ситуациях, то подбор входных параметров в одном случае, не дает гарантии согласования рассчитанных и измеренных N_e,T_e в других ситуациях. Так, например, N^ сильно влияет на N_e при ' высокой сол.;очной активности и слабо - при низкой солнечной активности. Поэтому коррекция входных параметров при низкой солнечной активности не позволяет согласовать рассчитанные и измеренные N_e для высокой солнечной активности без введения дополнительных факторов коррекции.

В предыдущих исследованиях показано, что за счет влияния N^ можно объяснить лишь малую часть наблюдаемого уменьшения N_e в области устойчивых субавроральных красных дуг ( SAR-дуг ). Для объяснения этого уменьшения N_e приходится прибегать к неестественным предположениям об уменьшении [01/Ш₂] в областях SAR-дуг в 2-3 раза. Наш подход, основанный на более точных расчетах [N^l и их влияния на N_e, позволяет решить эту проблему. ,

На средних широтах во время геомагнитных бурь при отрицательных ионосферных возмущениях в моделях без учета n| ( или с некорректным учетом N2 ) для согласования рассчитанных и измеренных N_e требуется умножить концентрации N₂,0₂ модели нейтральной атмосферы MSIS-86 на фактор 3 + 3,5, что противоречит экспериментальным данным, положешым в основу этой модели. При такой коррекции возникают трудности с моделированием положительных ионосферных возмущений._ Коррекция же по многим входным параметрам с целью согласования измеренных и вычисленных N_e,T_e фактически приближает теоретическую модель к эмпирической. Такая модель будет описывать известные экспериментальные данные, но может дать ошибки при анализе новых результатов измерений и при прогнозе структуры ионосферы в ситуациях, не описываемых базой данных, на которой она построена. Поэтому так актуальна проблема корректного учета взаимодействия возбужденных частиц с ионосферой.

В последние Ш-15 лет получено большое количество экспе-

рименталышх данных о физико-химических процессах, определяющих распределение возбужденных частиц в верхней атмосфере. Эти данные широко используются в физике плазмы и лазеров, но лишь частично используются в аэрономии. Отсутствует единый взгляд на систему параметров, определяющих содержание возбужденных частиц в верхней атмосфере. Это также делает рассматриваемую проблему весьма актуальной и определяет цели работы :

1. Развитие теории возбужденных частиц в ионосферной плазме на основе современных теоретических методов и экспериментальных данных.

2. Исследование вариаций и установление закономерностей распределений концентраций возбужденных частиц в атмосфере средних широт в различных геогелиофизических условиях, в области полярных сияний, устойчивых субавроралышх красных дуг и главного ионосферного провала.

3. Построение теоретической модели ионосферно-плазмо-сферного взаимодействия для средгагх широт на основе развития теории возбужденных частиц.

4. Исследование влияния возбужденных частщ на структуру ионосферы средних широт в различных геогелиофизических условиях, в области полярных сияний, устойчивых субавроралышх красных дуг и главного ионосферного провала.

Научная новизна результатов работы. Используя современные экспериментальные данные и теоретические методы, уточнены выражения для коэффициентов диффузии N^.Og.O^D), скоростей образования ^2,0^,0(¹D) при возбуждении N2,0₂,0 электронным ударом и скоростей изменения Т_е за счет этих процессов. Впервые рассчитана зазиеимость коэффициента скорости реакции 0(¹D) с невозбужденьми молекулами N₂ от номера колебательного уровня Ng, образующегося в реакции. Разработан новый подход для вычисления эффективных коэффициентов скоростей реакций 0⁺(⁴S) с N₂ и 0₂, учитывающий вклад возбужденных молекул N^ и О*.

Использование корректного набора коэффициентов физико-химических процессов с участием возбужденных частиц позволило автору сделать новые еыводы об их относительную роли.

Впервые показано, что в йтйосфЭре внгпрмонизм колебательно-возбужденных молекул аэота и кисяпрада 'фактически но влия-

- б -

ет на их концентрации для первых четырех-пяти колебательных уровней. Впервые найдено, что неучет ангарюнизма молекул кислорода занижает их концентрации выше 10-го колебательного уровня на два-три порядка величины на высотах от 50 до 90 км.

Впервые получены квазистационарные распределения молекул И* с учетом источников колебательной энергии, процессов колебательно-колебательного (w) обмена и диффузии и о| - с учетом источников колебательной энергии и процессов vv-обмена. Для N^ и О2 впервые найдены аналитические решения для колебательных температур с учетом источников колебательной энергии, процессов колебательно-поступательного (vt) обмена и диффузии.

Первые расчеты -с учетом процесса диффузии изменения во времени колебательной температуры T_v N^ для полярных сияний различной длительности и интенсивности показали, что на высотах области F ионосфери не происходит установления стационарных Т_у для полярных сияний с длительностью высыпания электронов менее часа.

Выполнены перше расчеты Т_у Hg в области главного ионосферного провала ( ГИЛ ) с учетом процесса диффузии N^ в вертикальном направлении и горизонтального переноса н| и сделаны новые выводы об изменении 'Т_у-

Впервые исследовано формирование дневного излучения верхней атмосферы на длине волны 630 «м в области субавроральных красных дуг. Первые расчеты., проведенные на основе измеренных во внешней плазмосфере спектров электромагнитных ионно-цикло-трошшх ( ЭМЩ ) волн, показали, что .приток энеош, .связанный с Сесстолкновителышм затуханием этих волн, мокот обеспечить наблюдаемую эмиссию ночной атмосферы на 630 нм.

В построенной автором модели ионосферно-плазмосфорного взаимодействия более точно, чем в других моделях рассчитываются концентрации возбужденных частиц и их влияние на N_e,T_e.

Для средних широт вперше показано, что процессы девоз-бувдения (^(а'л.,), 0.,(0¹^),N2,02 практически не влияют на Т_е, а колебательно-возбужденные кош N0⁺ можно не учитывать при расчетах N_e,tN0⁺J. Впервые доказано, что процесс ионизации солнечным излучением L_a мокул О^ІЯО) не влияет на структуру ионосферы в дневное время, а на высотах области F ионосферы о|>

заметно уменьшает скорость рекомбинации основного иона 0⁺(⁴S) и увеличивает N_e.

Впервые на обширном экспериментальном гдатериале (комплексные ракетные эксперименты "Вертикаль", комплексный ракетный эксперимент, проведенный в Австралии 3.04.t969 г. и данные некогерентного рассеяния радиоволн, полученные на ст. Миллстоун-Хилл в различные сезоны и время суток ) показано, что в геомагнитно-спокойных условиях неучет эффектов n| приводит к сильному рассогласовании вычисленных и измеренных N_e,T_e области F и внешней ионосферы при высокой солнечной активности и слабо влияет на N_e,T_Q при низкой солнечной активности.

Используя данные ст. "Миллстоун-Хилл", впервые показано, что наряду с общепринятыми причинами, развитие отрицательных ионосферных возмущений N_e на средних широтах связано с усилением влияния N2 на N_e,T_e при переходе от спокойных к возмущенным условиям, возрастающее с ростом солнечно? активности.

На основе первых расчетов Т_? в области главного ионосферного провала вылотаены первые количественные нечеты влияния Нр на форму ГИЛ. Получены новые результаты о степени влияния Ng на скорость рекомбинации ионов 0⁺(⁴S) в области полярных сияний.

Выполнены первые расчеты изменений Ео времени отклонений от больцмановского вида распределений нЩ в области SAR - дуг в зимнее и летнее время при гайкой, средней и высокой солнечной активности. Впервые доказано, что для поддержания интенсивности I свечения атмосферы на 630 нм на постоянном уровне при высокой солнечной активности требуете:¹ меньшее значение энергии, передаваемой от кольцевого тока ^т "'"нице объема плазмо-сферы в единицу времени, а щи низкої: солнечной активности -большее значение. Поэтому, в отличив от исследований других авторов, для объяснения'наблюдаемого роста I с солнечной активностью не требуется делать предположение, что эффективность передачи энергии от кольцевого тока к плазмосфере увеличивается с ростом солнечной активности.

Пересмотрен механизм уменьшения N„ в области SAR-дуг. Для геомагнитной бури 18.12.1971 г. наблюдаемое на спутнике Isls 2 в области SAR-дуги умені-пение злоктронной концентрации

N_mF? в максимуме слоя F2 в основном вызвано усилением влияния 1^2 на N_e и зависимостью от широты степени заполнения геомагнитных силоінх трубок плазмой. Из расчетов N_e,T_e при высокой и низкой солнечной актішности в зимнее время следует, что влияние Nr| на N_mP2 доходит соответственно до факторов 3,8 и 1,23.

Практическая ценность. Ионосфера и верхняя нейтральная атмосфера Земли весьма изменчивы, а космические эксперименты не могут быть частыми из-за их большой стоимости. Поэтому велика роль теоретических моделей структуры нейтральной атмосферы и ионосферы, построенных с помощью законов физики и химии и существующей экспериментальной информации об ионосфере и нейтральной атмосфере. Проведенные в настоящей работе исследования возбужденных частиц атмосферы позволили на основе современных экспериментальных данных и теоретических методов выявить новые закономерности распределений возбужденных частиц и пересмотреть механизма их влияния на структуру ионосферы. Построенная автором теоретическая модель ионосфорно-шюзмо-сферного взаимодействия для средних широт с учетом развития теории возбужденных частиц позволила дать новую теоретическую интерпретацию результатов измерений N_e,T_e в комплексных ракетных экспериментах серии "Вертикаль", для ракетного пуска 1969 г. в Австралии и данных некогерентного рассеяния радиоволн ст. "Млллстоун Хилл". Апробация модели на большом массиве измерений N_e,T_e позволяет использовать ее для прогнозирования пространственных и временных вариаций N_e,T_e. Результаты работы .могут быть использованы для совершенствования радиосвязи ai радионавигации.

Достоверность результатов работы определяется :

1. проведением детального исследования физико-химичеокик процессов, определяющих концентрации возбужденных частиц и их влияние на структуру ионосферы на основе современных экспериментальных данных'и теоретических методов;

2. адекватностью теории и практики, установленной путем сопоставления результатов расчетов с результатами измерений для каждого конкретного случая;

3. апробацией построенной автором теоретической модели ионосфорно-плазмосферного взаимодействия на большом массиве

экспериментальных данных : комплексных ракетных экспериментах серии "Вертикаль", ракетном пуске 1969г. в Австралии и данных некогерентного рассеяния радиоволн станции "Миллстоун-ХшиГ. На защиту выносятся следующие положения.

1. Развитие теории возбужденных частиц в ионосферой плазме на основе современных теоретических методов и экспериментальных данных.

2. Теоретические модели высотных: вариаций концентраций возбужденных частиц в атмосфере средних широт ( в различных геогелиофизических условиях ), в области полярных сияний, устойчивых субавроральных красных дуг, главного ионосферного провала и установленные закономерности распределений концентраций возбужденных частиц.

3. Теоретическая модель ионосферно-плазмосферного взаимодействия для средних широт с учетом возбужденных частиц.

4. Результаты теоретических исследований влияния возбужденных частиц на структуру ионосферы средних широт ( в различных геогелиофизических условиях ), в области полярных сияний, устойчивых субавроральных красных дуг и главного ионосферного провала.

5. Механизм развития отрицательных ионосферных возмущений во время геомагнитных бурь.

6. Механизм уменьшения электронной концентрации в области субавроральных красных дуг.

Личпый вклад автора. В диссертации обобщены результаты, основное содержание которых отражено'в 24 публикациях,-среди которых лишь одна - в соавторстве. В этой статье постановка задачи и анализ полученных результатов проводились совместно с Ю.В.Кониковым, а построение модели свучания атмосферы на 630 нм в области субавроральных красных дуг - автором.

Апробация работы и.реализация результатов исследований. Результаты работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы ( г. Москва, Институт химической физики, октябрь 1986 г. ), 9-ом Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферы.(г. Звенигород, ноябрь 1988 г. ), Всесоюзном совещании "Математические модели ближнего космоса" ( посвященном памяти В.П.Шабанского,

і¹.Москва, декабрь 1988 г. ), V симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физико ( г.Самарканд, октябрь 1989 г. ), 10-ом Всесоюзном семшш]/- по математическому моделированию ионосферы ( г. Казань, иійіь 1990 г. ), на семинарах ИЗМИР АН. Результаты работы включены в отчеты по выполненным в ИЗМИР ;⁷АН научно-исследовательским работам "Пространственно-временная структура ионосферы Земли" ( гос. регастрация N 01.86.0078167 ), "Совершенствование и прогностических целях методов расчета рефракционных, энергетических, доплеровских характеристик радиоволн на основе исследования особенностей неоднородной структуры плазмы" ( гос. регистрация N 0186.00778180 ), "Исследование структуры, динамики механизмов генерации возмущений и спорадических образований в ионосфере, разработка на этой основе методов краткосрочного прогноза харакреристик распространения радиоволн" ( гос. регистрация N 01.9.10 024295 ).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, трех приложений и заключения. Общий объем -386 страниц. Из них текст диссертации и 20 таблиц - нз 303 страницах и 83 рисунка - на 83 страницах. Список литературы насчитывает 324 наименования.