Введение к работе
Актуальность проблемы. Электрические поля и токи играют очень важную роль в поведении ионосферы в области высоких широт и вблизи геомагнитного экватора. Особенно возрастает их роль в периоды магнито-сферных возмущений, когда ионосфера испытывает значительные изменения. Ионосфера является средой распространения радиоволн, через ионосферу осуществляется радиосвязь космических аппаратов с Землей, навигация воздушных и морских судов, радиолокация и пеленгация. Поэтому необходимо предвидеть те, иногда катастрофические, изменения параметров ионосферы, которые происходят в периоды возмущений, приводящие к нарушению, а иногда и к полному исчезновению радиосвязи. Отсюда следует, что исследование электрических полей и токов и их влияния на поведение ионосферы представляет собой актуальную задачу.
Остается актуальной проблема прогнозирования землетрясений вследствие катастрофических последствий, которые они вызывают. Полученные в последнее время свидетельства того, что в ионосфере за несколько дней до землетрясений формируются их предвестники, позволяют надеяться на возможность хотя бы краткосрочного прогноза землетрясений. Одним из возможных механизмов формирования таких ионосферных предвестников землетрясений являются электрические поля сейсмогенного происхождения, что также указывает на актуальность исследования электрических полей и их эффектов в ионосфере Земли.
Целью диссертационной работы является исследование методами математического моделирования электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и токов в ионосфере Земли, их ионосферных эффектов, а также эффектов электрических полей в ионосфере, возможно, сейсмогенного происхождения.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Создание нового блока расчета электрических полей в ионосфере Земли в Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы, Ионосферы и Протоносферы (ГСМ ТИП), который позволил бы корректно описывать область ионосферы вблизи геомагнитного экватора и распределение зонального тока в ионосфере Земли (экваториального (EEJ) и авроральных (AEJ) электроджетов). Вывод уравнения Пуассона в выбранном приближении и запись его в разностном виде для решения конечно-разностными методами.
Написание программы расчета электрических полей и токов в ионосфере Земли, ее отладка и тестирование, сопряжение с моделью ГСМ ТИП и реализация в виде отдельного блока расчета электрического поля и зонального тока в ионосфере в модели ГСМ ТИП.
Проведение исследований глобального распределения электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и зональных токов в ионосфере Земли в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях. Сравнение полученных результатов расчетов с экспериментом
Проведение исследований эффектов рассчитываемых электрических полей на поведение ионосферы. В частности, исследование роли электрических полей в формировании и поведении таких крупномасштабных неоднородностей ионосферы, как дневная и ночная экваториальная ионизационная аномалия (ЭА и ночная ЭА), экваториальная аномалия в электронной температуре (ЭАЭТ), экваториальные и авроральные электроджеты, главный ионосферный провал (ГИП) и провал легких ионов (ПЛИ).
Проведение исследования роли электрических полей в процессе расслоения экваториального Р2-слоя и в формировании дополнительного экваториального БЗ-слоя.
Проведение исследования роли электрических полей и токов в ионосфере в периоды таких возмущений, как магнитосферная суббуря и солнечное затмение. А также рассмотрение электрического поля в качестве возможного механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений.
Методы исследования
В работе использовались методы математического моделирования электрических полей и токов в ионосфере Земли. Моделирующие уравнения записывались в разностном виде и решались хорошо известными конечно-разностными методами. Кроме того, для исследований эффектов электрических полей в ионосфере использовалась модель ГСМ ТИП, в которой глобальные распределения всех параметров верхней атмосферы рассчитываются путем численного интегрирования системы квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса нейтральной и заряженной компонент верхней атмосферы Земли.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются корректностью постановки задач и методов их решения, а также согласием полученных результатов численных расчетов с экспериментальными данными, модельными расчетами других авторов и современными представлениями о физике ионосферных процессов, происходящих под действием электрических полей и токов.
Научная новизна
1. Впервые в рамках единой самосогласованной модели системы термосфера, ионосфера и протоносфера реализован блок расчета электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и зональных токов в ионосфере Земли, позволяющий корректно описывать распределе-
ниє электрического поля и зонального тока не только в высоких и средних широтах, но и на геомагнитном экваторе.
Впервые на основании численных расчетов получен дополнительный G-слой на геомагнитном экваторе на высотах -1000 км и исследован механизм его формирования. Показано, что этот слой формируется ионами Н за счет меридиональной компоненты термосферного ветра.
Впервые методом математического моделирования проведена проверка механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений зональным электрическим полем, возможно, сейсмогенного происхождения, предложенного А.А. Намгаладзе. Показано, что наблюдаемые за несколько дней до сильных землетрясений возмущения полного электронного содержания в околоэпицентральной области могут быть вызваны дополнительными источниками зонального электрического поля в ионосфере Земли.
Практическая ценность
Новый блок расчета электрических полей и зональных токов в модели ГСМ ТИП может быть использован как с целью проведения, прежде всего, научных исследований физики околоземного космического пространства, так и для прогнозирования и диагностики различного типа возмущений в ионосфере.
На защиту выносятся следующие положения:
Новый блок расчета электрических полей и зональных токов в ионосфере Земли в модели ГСМ ТИП, основанный на приведении трехмерного моделирующего уравнения, описывающего закон сохранения плотности полного тока в ионосфере Земли, к двумерному виду интегрированием по толщине токопроводящего слоя ионосферы вдоль силовых линий геомагнитного ПОЛЯ.
Полученное в модели поведение экваториальных и авроральных электроджетов в спокойных условиях и во время возмущений.
Результаты исследования механизмов формирования в экваториальной ионосфере дополнительных слоев F3 и G. Впервые показано, что меридиональная компонента термосферного ветра может приводить к формированию ионами Н на высотах -1000 км дополнительного G-слоя.
Результаты исследования механизмов формирования главного ионосферного провала.
Результаты численных расчетов ионосферных предвестников землетрясений, которые убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы о зональных электрических полях, появляющихся в околоэпицентральных областях за несколько суток до землетрясений.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и были представлены на XI региональной конференции по
распространению радиоволн (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2005), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кенигсберга) (Калининград, 2005), III, IV и V Международных научных конференциях «Инновации в науке и образовании - 2005, 2006, 2007» (Калининград, КГТУ, 2005, 2006, 2007), 28th, 29th, 30th Annual Seminars «Physics of Auroral Phenomena" Apatity, Russia (2005, 2006, 2007), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2006, 2007), 6 International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2006), 36th COSPAR Scientific Assembly (Beijing, China, 2006), U.R.S.I. Landesausschuss Deutschland e.V. Kleinheubacher Tagung (Mil-tenberg, Germany, 2006, 2007), AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances (Yosemite, USA, 2007), CPEA Symposium (Kyoto, Japan, 2007), Greenland IPY 2007 Space Science Symposium (Kangerlussuaq, Greenland, 2007), Joint Assembly AGU 2007 (Acapulco, Mexico, 2007), International Beacon Satellite Symposium (Boston, Boston College, USA, 2007), XXIV General Assembly of IUGG (Perugia, Italy, 2007), IRI/COST 296 Workshop "Ionosphere - Modelling, Forcing and Telecommunications" (Prague, Czech Republic, 2007), 4th Annual AOGS 2007 Assembly (Bangkok, Thailand, 2007), IV Международной конференции "Солнечно-Земные связи и предвестники землетрясений" (Паратунка, Камчатка, 2007), AGU Fall Meeting (San Francisco, USA, 2007), 9th International Conference on Substorms (Seggau Castle, Austria, 2008), 12 International Symposium on Equatorial Aeronomy (Crete, Greece, 2008).
По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 12 статей и 53 тезиса докладов. Из них 2 статьи опубликованы в изданиях из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа содержит 146 страниц текста, в том числе 83 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 179 наименований.
