Математическое моделирование тепловых эффектов в высокоширотной ионосфере Гололобов Артем Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Крупномасштабная структура высокоширотной ионосферы и её математическое моделирование 9

1.1. Основные особенности высокоширотной ионосферы 9

1.2. Математические модели высокоширотной ионосферы 14

1.3. Исследование теплового режима высокоширотной ионосферы 27

ГЛАВА 2. Математическая модель высокоширотной ионосферы в переменных эйлера 36

2.1. Система уравнений модели 36

2.2. Источники ионизации, нагрева и охлаждения ионосферной плазмы 45

2.3. Внешние параметры модели. Начальные и граничные условия 56

2.4. Алгоритм решения системы уравнений модели 63

2.5. Разработка комплекса программ для численной реализации модели 75

2.6. Эффекты трехмерности процессов переноса в тепловом режиме высокоширотной ионосферы 79

ГЛАВА 3. Моделирование тепловых эффектов в высокоширотной ионосфере 84

3.1. Исследование процессов охлаждения и нагрева в тепловом режиме высокоширотной ионосферы 84

3.2. Исследование влияния магнитосферной конвекции на тепловой режим высокоширотной ионосферы 90

3.3. Долготные особенности теплового режима высокоширотной ионосферы 95

3.4. Моделирование формирования области повышенной электронной температуры в области F2 высокоширотной ионосферы 101

3.5. Моделирование «горячей» кольцевой зоны в субавроральной ионосфере 109

Заключение 119

Список литературы 121

• Математические модели высокоширотной ионосферы
• Внешние параметры модели. Начальные и граничные условия
• Исследование влияния магнитосферной конвекции на тепловой режим высокоширотной ионосферы
• Моделирование формирования области повышенной электронной температуры в области F2 высокоширотной ионосферы

Введение к работе

Актуальность работы. Последние десятилетия характеризуются значительным развитием спутниковых и наземных систем наблюдения за состоянием ионизированной части верхней атмосферы Земли, что связано с исследованиями космической погоды. На основе накопленной базы экспериментальных данных о крупномасштабной структуре высокоширотной ионосферы изучены ее основные структурные образования. При этом менее изученной остается ее тепловая структура. Экспериментальные измерения указывают на то, что температура заряженных частиц высокоширотной ионосферы существенно отличается от ожидаемой экстраполяции температуры средних широт и характеризуется наличием областей с повышенными температурами электронов и ионов. В свою очередь, тепловой режим полярной ионосферы является чувствительным индикатором взаимосвязи магнитосферы и верхней атмосферы, а также влияет на скорость протекания различных физико-химических процессов в ионосфере, приводящих к перераспределению концентрации заряженных частиц. Все это подтверждает, что исследование теплового режима высокоширотной ионосферы представляет собой важную научную проблему.

Успешное решение этой проблемы предполагает создание математической модели высокоширотной ионосферы, описывающей основные физико-химические и тепловые процессы в данной области с учетом как вертикальных, так и горизонтальных процессов переноса плазмы. Поэтому создание модели высокоширотной ионосферы, описывающей, наряду с пространственной структурой, ее тепловой режим является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели высокоширотной ионосферы с учетом теплового режима и исследование с её помощью тепловых эффектов.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

Развитие нестационарной трехмерной модели высокоширотной ионосферы в переменных Эйлера с учетом теплового режима заряженных частиц и несовпадения географического и геомагнитного полюсов;

Разработка алгоритма решения системы уравнений, состоящей из трех нестационарных трехмерных дифференциальных уравнений гидродинамики -уравнения непрерывности для ионов 0⁺, уравнения теплопроводности для электронов и ионов с учетом работ, выполненных ранее;

Моделирование тепловых эффектов в высокоширотной ионосфере для различных гелио-геофизических условий.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

Получена система уравнений математической модели высокоширотной
ионосферы в переменных Эйлера, позволяющая описывать концентрацию
ионов 0⁺, температуру электронов и ионов с учетом несовпадения
географического и геомагнитного полюсов в области высот 120 - 500 км, 40
90 северной широты, 0 360 долготы;

Разработан алгоритм для численного решения системы уравнений, состоящей из трех нестационарных трехмерных параболических уравнений гидродинамики;

С помощью численной модели ионосферы изучены причины, особенности и области формирования повышенных значений температуры электронов и ионов в высокоширотной ионосфере.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Трехмерная нестационарная модель высокоширотной ионосферы в интервале высот 120 - 500 км, 40 90 северной широты, 0 360 долготы, позволяющая описывать крупномасштабную структуру и пространственно-временное распределение температуры электронов и ионов в переменных Эйлера;

2. Алгоритм численного решения системы моделирующих уравнений, состоящей из трех нестационарных трехмерных дифференциальных уравнений гидродинамики на основе методов расщепления с использованием метода Ньютона линеаризации нелинейных уравнений теплопроводности, а также комплекс программ для численной реализации модели;

3. Результаты численных расчетов по исследованию тепловых эффектов в высокоширотной ионосфере, такие как повышение температуры электронов и ионов в утреннем и вечернем секторах, долготные особенности теплового режима высокоширотной ионосферы, формирование «горячей» кольцевой зоны в субавроральной ионосфере.

Научная и практическая значимость работы:

Полученные результаты исследования тепловых эффектов в высокоширотной ионосфере показывают, что модель адекватно описывает состояние субавроральной, авроральной и полярной ионосферы и может быть использована для исследования ионосферных процессов, протекающих в этих широтах.

Также результаты исследования могут быть применены в учебном процессе по дисциплинам «Математическое моделирование ионосферы», «Физика верхней атмосферы», «Физика ионосферы» и «Распространение радиоволн».

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием обоснованных упрощающих допущений при разработке математической модели, применением апробированных методов решения дифференциальных задач и качественным согласием полученных результатов численных расчетов с экспериментальными данными и с результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы:

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IX, X, XI и XIII Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (г. Томск, 2011, 2012, 2014, 2016); XIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 20-летию ТИ ФГАОУ ВПО СВФУ (г. Нерюнгри, 2012); Всероссийской конференции посвященной 50-летию ИКФИА СО РАН «Космические лучи и гелиосфера» (г. Якутск, 2012); III и IX Международной научной конференции «Математическое моделирование развития северных территорий Российской Федерации» (г. Якутск, 2012, 2015); V Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы

радиофизики» (г. Томск, 2013); 31^th, 32^th International Conference on Phenomena in ionized gases (Grenada, Spain, 2013, Iasi, Romania, 2015); XXIV Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (г. Иркутск, 2014); Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные методы и материалы радиофизики», посвященной 120-летию дня изобретения радио (г. Якутск, 2015); XVI Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (г. Иркутск, 2015); XIII Международной российско-китайской конференции по космической погоде (г. Якутск, 2016); 17^th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2017 (Albena, Bulgaria, 2017).

Диссертационная работы была выполнена при поддержке следующих грантов:

Грант РФФИ № 15-45-05090 рвостока Исследование процессов во внутренней магнитосфере по геофизическим наблюдениям на территории Якутии;

Грант РФФИ № 15-45-05066 рвостока Исследование волновых возмущений в арктической зоне ионосферы.

Личный вклад автора:

Автору принадлежат: разработка алгоритма решения системы уравнений модели, написание и отладка программы с учетом ранних работ соавторов, а также проведение расчетов и участие в анализе полученных результатов. Автору в равной степени с соавторами принадлежат все полученные научные результаты и выводы.

Структура и объем диссертации:

Математические модели высокоширотной ионосферы

К глобальным эмпирическим моделям ионосферы относится модель International Reference Ionosphere (IRI) [Bilitza, 2014], которая является международным проектом, финансированным COSPAR (Committee on Space Research) после успешной реализации проекта модели нейтральной атмосферы CIRA (COSPAR International Reference Atmosphere) в 1968. Позже проект был поддержан Международным союзом радио и науки URSI (International Union of Radio Science). В отличие от ISRIM, модель IRI, кроме данных радаров некогерентного рассеяния, включает также данные сети станций вертикального зондирования, ракетных измерений, спутников Dynamic Explorer 2, Allouette, AE-C, Intercosmos и др. В настоящее время модель способна рассчитывать электронную концентрацию, температуру электронов, температуру ионов и ионный состав в диапазоне высот от 50 до 2000 км в зависимости от мирового времени (UT), географических или геомагнитных координат для разных гелио геофизических условий. В работе [Jin, 2007] и [Xiong, 2013] показано, что сравнение данных экспериментальных измерений с моделями IRI-2001 и IRI 2007 дают существенные расхождения. Отмечается, что модель IRI-2007 слабо описывает главный ионосферный провал в северном полушарии и нуждается в значительной доработке. В настоящее время существует версия IRI 2012, содержащая улучшения в виде включения скорректированных геомагнитных координат (CGM-Corrected Geomagnetic Coordinates) [Gustafsson, 1992], которые необходимы, например, для представления авроральных границ, и обновленной модели электронной температуры [Truhlik et al., 2012]. Однако, обновленная модель электронной температуры слабо описывает мелкомасштабные пространственно-временные структуры, такие как повышение температуры электронов в субавроральной ионосфере, вечерний гребень электронной температуры и структурные образования высокоширотной ионосферы. Подробное описание модели представлено в [Bilitza, 2014]. Наряду с эмпирическими и теоретическими моделями существуют и полуэмпирические модели. В работе [Поляков и др., 1986] создана полуэмпирическая модель ионосферы ПЭМИ. Модель рассчитывает высотный профиль электронной концентрации для среднемесячного состояния ионосферы на основе система уравнений непрерывности для основных сортов ионов. Полученное теоретическое решение корректируется при помощи подстановки эмпирических данных.

Теоретические модели ионосферы строятся на решении систем уравнений, основанных на физических законах, учитывающие основные фотохимические, энергетические и динамические процессы, протекающие в ионосфере.

Первые работы по теоретическому моделированию ионосферы были выполнены для одномерного случая, где рассматривались одномерные уравнения непрерывности [Поляков и др., 1968]. Вертикальный профиль концентрации электронов рассчитывался путем интегрирования уравнения непрерывности учитывающий ионизации, рекомбинацию и диффузию. Отечественная пространственно одномерная модель для исследования F области ионосферы была разработана в ПГИ (Полярном геофизическом институте) [Власков и др., 1973, 1976]. Модель являлась нестационарной одноионной моделью, основанной на численном решении уравнений непрерывности для положительных ионов, движения для горизонтальных компонент скорости нейтрального ветра и трех проекций скорости положительных ионов. Модель позволяла рассчитывать высотные профили концентрации ионов, температуры электронов и ионов в интервале высот от 100 до 420 км. Обзор моделей, разработанных в Полярной геофизическом институте, представлен в [Мингалев, Мингалева, 2010].

Одним из основных ограничений подобных моделей является одномерная постановка задачи, в которой пренебрегаются горизонтальные составляющие. Если на средних и низких широтах подобное приближение достаточно удовлетворительно описывает состояние плазмы, то при переходе к высоким широтам, где присутствуют сильные горизонтальные переносы вследствие магнитосферной конвекции, это приближение неприменимо. Переход к моделированию высокоширотной ионосферы с учетом протекающих в ней процессов требует решения трехмерных нестационарных уравнений, где, наряду с вертикальными компонентами, должны учитываться также горизонтальные компоненты переноса. Создание моделей с подобной постановкой задачи связано со значительными требованиями к вычислительным мощностям. В связи с тем, что ЭВМ в 1960-70-е гг. не обладали достаточными ресурсами для решения подобных трехмерных задач, в 1970-е годы появилась первая модель высокоширотной ионосферы на основе формализма Лагранжа [Knudsen, 1974, 1977]. Считается, что на высотах F области ионосферы заряженные частицы замагничены и магнитное поле “вморожено” в ионосферную плазму. При таком допущении трехмерная задача сводится к поиску траекторий перемещения магнитных силовых трубок, вычислению скоростей их перемещения и решению системы одномерных дифференциальных уравнений путем интегрирования вдоль той силовой линии геомагнитного поля, куда перешла плазменная трубка в процессе магнитосферной конвекции. Таким образом, идея Кнудсена реализуется в два

этапа: на первом этапе по заданным полям и строится траектория конвекции, на втором шаге решается система одномерных уравнений, при этом в уравнениях модели производная по времени заменяется производной вдоль траектории конвекции. Идея Кнудсена получила широкое применение [Максимов и др., 1982; Мингалев и др., 1982а; Quegan et al., 1982; Sojka, 1989; Уваров и др., 1992; Wu, Taieb, 1996].

Внешние параметры модели. Начальные и граничные условия

При этом учитывается, что в ионосфере вертикальные масштабы изменения и i значительно меньше горизонтальных, т.е. справедливы следующие соотношения аналогично как у электронов: Тогда примет вид: Уравнение (2.10) в сферической системе координат принимает вид: (2.12) Учет несовпадения географического и геомагнитного полюсов. Пространственная структура высокоширотной ионосферы связана с магнитосферой и зависит от процессов, протекающих в ней. Эти процессы, такие как электрические поля и высыпающиеся заряженные частицы описываются в геомагнитной системе координат. Учет несовпадения географического и геомагнитного полюсов приводит к тому, что области протекания магнитосферных процессов будут менять свое местоположение относительно терминатора в зависимости от мирового времени (UT).

Согласно [Элеман, 1976] географические и геомагнитные координаты связаны следующими соотношениями: где Для перевода компонент вектора электрического поля магнитосферного происхождения из геомагнитной в географическую систему координат используются формулы, предложенные в [Голиков и др., 2004б]. Пусть имеется вектор , меридиональная и зональная компоненты которого в геомагнитной системе координат будут соответственно и . Проекции меридиональной компоненты в географической системе координат обозначим как и , а проекции зональной компоненты - как и (рис 1). Рис. 1. Перевод компонент вектора из геомагнитной системы в географическую, МП – магнитный полюс, ГП – географический полюс Используя теорему косинусов для сферического треугольника находим угол q между меридианами геомагнитной и географической систем координат где в - коширота северного геомагнитного полюса, - географическая и геомагнитная кошироты точки наблюдения соответственно. Отсюда получим меридиональную компоненту вектора в географической системе координат причем = -1, при 180 и =1, при 180 , где - геомагнитная долгота. Зональная компонента определяется в следующем виде: где =1, при 180 и = -1, при 180.

Одним из главных этапов разработки математической модели ионосферы является определение основных механизмов образования и потерь ионосферной плазмы и источников ее нагрева и охлаждения. Днем, во всем интервале высот h 100 км, основным источником ионообразования является коротковолновое излучение Солнца. Образующиеся при ионизации фотоэлектроны способны передавать свою энергию близлежащим частицам и тем самым производить нагрев ионосферной плазмы. В ночное время, в зоне аврорального овала, энергия для ионизации и нагрева поступает от высыпающихся из магнитосферы энергичных частиц. Также под действием электрического поля Е может производиться фрикционный нагрев плазмы. В данной главе рассмотрим эти механизмы подробнее.

Ионизация волновым излучением Солнца. Образование электрон - ионной пары в атмосфере Земли происходит, главным образом, за счет поглощения рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца на длинах волн (табл. 1) [Колесник и др., 1993]. Таблица L Потенцалы ионизации и эквивалентные длины волн для атмосферных газов Компонента Ер, эВ Х, А Компонента Ер, эВ Х, А He 24,6 504 О 13,6 910 Аг 15,7 787 Н 13,6 911 N2 15,6 796 03 12,8 969 N 14,5 852 о2 12,1 1028 со2 13,8 899 NO 9,2 1340 где Ep – потенциал ионизации. Наиболее значимые процессы для образования ионосферной плазмы:

Другие процессы фото- и диссоциативной ионизации оказываются малоэффективными. Скорость фотоионизации s-й составляющей нейтрального газа в единице объема за единицу времени можно записать в виде [Антонова, Иванов-Холодный, 1989]: (2.13) где - интенсивность солнечного излучения на длине волны на верхней границе атмосферы, фотон см 2 с1; - сечение ионизации s-й составляющей газа излучением на длине волны X, см2; - оптическая толщина атмосферы на высоте z для излучения с длиной волны X, равная где - сечения поглощения излучения на длине волны X s-й составляющей газа, см2; Chfcz) - функция Чепмена, зависящая от высоты z и зенитного угла Солнца (угла между направлением на Солнце, экваториальной плоскостью и географической широтой ). Зенитный угол Солнца/ определяется выражением: где г - время отсчитываемое от полудня, - часовой угол Солнца. В свою очередь где d -номер дня, отсчитываемый от начала года. Функция Чепмена представлена выражением где Здесь знак (+) соответствует 90o, а знак (-) для 90o. Обычно в расчетах используют более простую аппроксимацию вида [Smith, 1972]: для для где Полная скорость фотоионизации за счет ионизации всех сортов нейтральных частиц равна: Для расчета скорости фотоионизации по (2.13) необходимо знать плотность потока излучения Солнца, которая исследовалась в работах [Hall, 1970; Heggins, 1976; Антонова, Иванов-Холодный, 1989], и может быть выражена в виде [Чернышев, 1978]: где F10,7 - индекс солнечной активности, 10-22 вт/м2гц; - плотность потока излучения Солнца на длине волны к в единицах 109фотон- см2 сек1; ахиЬх-коэффициенты различные для различных линий или участков спектра.

Исследование влияния магнитосферной конвекции на тепловой режим высокоширотной ионосферы

Электрические поля магнитосферного происхождения могут приводить к горизонтальным дрейфам ионосферной плазмы и вследствие этого изменениям в распределении концентрации и температуры заряженных частиц. В моделировании высокоширотной ионосферы, в отличие от среднеширотной ионосферы, где допускается использование одномерного приближения, наряду с вертикальным составляющим необходимо учитывать также горизонтальные составляющие векторов скоростей плазмы, т.е. трехмерность процессов переноса в ионосфере. Рассмотрим влияние учета трехмерности на температуру электронов и ионов.

В расчетах значения электрического поля магнитосферного происхождения заданы по аналитической модели [Осипов, 1980], построенной на основе данных Хепнера «А» [Heppner, 1977]. Для перевода компонент вектора электрического поля магнитосферного происхождения из геомагнитной в географическую систему координат использованы формулы, предложенные в работе [Голиков и др., 2004б]. Полученная при этом картина магнитосферной конвекции показана на рис. 6 в 12 часов мирового времени (UT). Видно, что заряженные частицы в области полярной шапки конвекцией переносятся на ночную сторону с последующим поворотом в утреннем и вечернем секторах на солнечную по более низким широтам. В результате картина конвекции принимает структуру с утренней и вечерней ячейками. приведены результаты расчетов для условий зимнего солнцестояния (= -23o), средней солнечной активности (F10,7=150) и умеренной геомагнитной активности (Kp=3). Тепловой поток на верхней границе приравнен к нулю. Для одномерного случая, в результате отсутствия горизонтальных движений ионизация и нагрев полярной области ионосферы

Пространственно-временное распределение векторов скоростей плазмы, обусловленные электрическим полем магнитосферного происхождения и скорость корпускулярной ионизации (в см-3с-1) в географической системе координат на высоте 300 км. Цифры у внешнего круга – местное время, а рядом в скобках – географическая долгота. Штриховая линия - терминатор при зенитном угле =90o. Точка с двумя взаимно перпендикулярными линиями – геомагнитный полюс. Штрихпунктирная окружность – положение плазмопаузы. Штриховая окружность – полярный круг Рис. 7. Распределение концентрации ионов O+ (в ед. 104 см-3), температуры электронов и ионов в 18 UT на высоте 300 км для одномерного (а, в, д) и трехмерного (б, г, е) случаев, соответственно осуществляется лишь корпускулярным источником ионизации. В области аврорального овала видны пики концентрации n(O+) достигающие значений около 4105 см-3 (рис. 7, а) а также повышение температуры электронов Te до 1100 Кo. В полярной области широт выше около 80o концентрация ионов O+ принимает значения ниже 104 см-3. В изолиниях температур электронов и ионов (рис. 7, в, г) также наблюдаются пониженные значения Te и Ti , которые совпадают с областями низких значений n(O+).

При учете трехмерности процессов переноса магнитосферная конвекция приводит к повышению концентрации заряженных частиц в полярной области ионосферы, сглаживанию пиков ионизации и появлению «языка ионизации» (рис. 7, б). В ночном секторе формируется главный ионосферный провал. Из рис. 7, г, е видно, что учет трехмерности приводит к исчезновению областей пониженных значений Te и Ti и появлению пиков Te 2100 Кo в дневном и вечернем секторах, что качественно согласуется с результатами работ [Schunk et al., 1986; Mingalev et al., 2002]. Механизм формирования этих пиков будет рассмотрен в разделе 3.4.

Таким образом, при учете трехмерности температура электронов и ионов в высокоширотной ионосфере выше, чем в одномерном случае, и приводит к формированию областей с повышенными температурами электронов и ионов.

Сформулирована система уравнений трехмерной нестационарной модели высокоширотной (включая субавроральную) ионосферы в сферической (географической) системе координат в переменных Эйлера с учетом теплового режима, состоящая из: - уравнения непрерывности для ионов O+; - уравнения теплопроводности для электронов; - уравнения теплопроводности для ионов;

Область расчетов покрывает по r: 120-500 км, 0o50o северной широты, 0o360o долготы. Определены основные фотохимические механизмы, протекающие в рассматриваемой области ионосферы. Заданы скорости образования и гибели ионов O+ и нагрева и охлаждения электронов и ионов. Рассмотрены и заданы внешние управляющие параметры модели, такие как: - параметры нейтральной атмосферы по моделям нейтральной атмосферы ОГО-6, MSIS-83 или NRLEMSIS – 00; - параметры электрического поля магнитосферной конвекции по модели Хепнера «А»; - высыпания заряженных частиц заданы по модели APM PGIA; - параметры нейтрального ветра по модели HWM-93. Разработан алгоритм решения системы трехмерных моделирующих уравнений, состоящей из трехмерных уравнений непрерывности для ионов O+, теплопроводности для электронов и ионов, основанный на методе суммарной аппроксимации. Многомерные моделирующие уравнения расщепляются покоординатно на локально – одномерные схемы, затем после дискретизации по пространству и времени разностными схемами приводятся к трехточечному виду и в последующем решаются стандартными численными методами обычной и циклической прогонок. Для решения нелинейных уравнений теплопроводности для электронов и ионов по высоте используется линеаризация по методу Ньютона.

Данный алгоритм реализован в виде комплекса программ для ЭВМ «Математическое моделирование высокоширотной ионосферы с учетом теплового режима» в среде программирования Delphi (Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 19854).

Моделирование формирования области повышенной электронной температуры в области F2 высокоширотной ионосферы

В условиях летнего солнцестояния полярная область ионосферы полностью освещена (рис. 19). Область конвекции круглосуточно находится преимущественно на дневной стороне. Вследствие этого роль конвекции на затененной стороне существенно слабее, чем в другие сезоны.

Таким образом, показано, что UT-контроль ионосферы в распределении концентрации ионов O+, температуры электронов и ионов прослеживается во все сезоны года. Наиболее это четко проявляется в зимний период.

Конвективный перенос тепла приводит к образованию «языка» как в распределении концентрации ионов O+, так и в изолиниях температуры электронов и ионов. Форма языка зависит от мирового времени. Зимой в 06 UT «язык» практически исчезает. Рис. 19. Распределение концентрации ионов 0+ (а) в ед. 104см 3, температуры электронов (б) и ионов (в) в условиях летнего солнцестояния (3 = 23) на высоте 300 км при различных UT. Обозначения те же, что на рис. 3

С ростом высоты эффект влияния конвекции на концентрацию ионов (электронов) и тепловой режим усиливается, что связано с уменьшением концентрации нейтральных частиц.

Как известно, состояние высокоширотной ионосферы (ВШИ) существенно зависит от процессов, протекающих в магнитосфере. Эти процессы, связанные с магнитным полем Земли, описываются в геомагнитной системе координат, тогда как процессы, связанные с нейтральными частицами -в географической системе. В связи с тем, что географический и геомагнитный полюса не совпадают, области протекания магнитосферных процессов будут менять свое местоположение относительно географического полюса в зависимости от мирового времени (UT).

В настоящем разделе рассматриваются долготные особенности в распределении температуры электронов и ионов на высотах около максимума F2 слоя. В [Колесник, Голиков, 1982; Колесник, Голиков, 1984] показано, что в зимний период в восточном полушарии при учете несовпадения географического и геомагнитного полюсов в субавроральной ионосфере формируется область без эффективных источников ионизации, вследствие чего главный ионосферный провал (ГИП) в восточном полушарии глубже, чем в западном. Причем провал проявляется круглосуточно в течении всех суток полярной ночи в отличие от западного, где ГИП формируется только в ночное время. Долготная особенность в поведении провала может отразиться и в тепловом режиме. Далее, на пространственно-временное распределение концентрации электронов влияет магнитосферная конвекция, которая в разные моменты мирового времени меняет местоположение относительно терминатора вследствие несовпадения оси вращения Земли с осью геомагнитного диполя. Это обстоятельство также может внести определенный вклад в формировании теплового режима.

На рис. 20 приведены результаты расчетов электронной концентрации на высоте максимума области F2 (nmF2) для зимы, минимума солнечной активности (F10,7=70) и умеренной геомагнитной активности (Kp=3), в координатах местное время (долгота) – географическая широта при разных UT. Здесь nmF2 даны в виде изолиний в единицах 104 см-3. Видно, что наименьшие значения nmF2 в субавроральной ионосфере наблюдаются в области без эффективных источников ионизации (заштрихованная область), в интервале долгот 0o 180o. В этой области значение концентрации значительно контролируется величиной плазмосферного потока. С уменьшением его до нуля модельные расчеты дают практически нулевые значения концентрации, за исключением случая в 06 UT, когда в околополуденном секторе дневное ионизирующее излучение на высотах 300 км производит слабую ионизацию даже при зенитном угле 90o. Как видно на рис. 20, в 06 UT плазмопауза находится полностью на ночной стороне. В это время изолинии «заходят» в область за терминатором, где их густота увеличивается, т.е. падение концентрации электронов в направлении к полярным широтам ускоряется. Затем на границе плазмопаузы значение концентрации резко возрастает приблизительно в 4 5 раза за счет совместного действия корпускулярной ионизации и конвекции. Таким образом, в 06 UT в дневное время в восточном полушарии вблизи терминатора также формируется провал в широтном распределении электронной концентрации с четко выраженными экваториальной и полярной стенками. Его ширина равна расстоянию примерно от терминатора до плазмопаузы, а глубина меньше, чем глубина провала в области без эффективных источников ионизации в другие часы UT. Далее, в 18 UT на освященной стороне оказывается западное полушарие (интервал долгот 180o 360o) и вместе с ней часть области конвекции и высыпаний частиц, окруженная плазмопаузой. Видно, что в это время в широтном ходе электронной концентрации в утреннем и вечернем секторах также наблюдаются провалы ионизации, которые формируются выносом низкой концентрации на освященную сторону конвективным потоком, направленным к Солнцу вдоль плазмопаузы (изгибы изолиний вблизи терминатора в области конвекции, т.е. вне плазмосферы).

На основе вышеизложенного можно заключить, что в зимний период в западных и восточных долготах в дневном секторе причины образования провалов ионизации отличаются и связаны с магнитосферной конвекцией в 18 UT и областью без эффективных источников ионизации – в 06 UT.

На рис. 21 представлено пространственно-временное распределение медианных значений электронной концентрации в максимуме области F2 (nmF2) по данным мировой сети станций вертикального зондирования (ВЗ)