Введение к работе
Актуальность темы. Исследование ионосферных электрических полей и токов составляет содержание весьма обширной области физики верхних слоев земной атмосферы. Объяснение совокупности данных об электродинамических процессах в ионосфере является важной задачей теории ионосферных токов, получившей название "динамо- теории". Главной причиной появления токов в ионосфере на средних и низких широтах является направленное движение ионосферного газа под воздействием термических, гравитационных, приливных и других сил. Основной токонесущий слой ионосферы располагается на высотах ~ 100 -160км над Землей, где существенно различна степень замагничен-ности заряженных компонент ионосферного газа (электронов и ионов), и геомагнитное поле практически "вморожено" в электронный газ. Ионы, наоборот, эффективно увлекаются нейтральными частицами за счет большой частоты столкновений друг с другом. Различный характер движения ионов и электронов приводит к возникновению системы электрических токов в ионосфере. Движение заряженных частиц в крайне неоднородной проводящей среде, подверженной значительным изменениям с течением времени, служит причиной появления там электрических полей поляризации. Это приводит к сложной зависимости ионосферной токовой системы от процессов, определяющих состояние верхней атмосферы - термодинамических, фотохимических, метеорологических и т.п.
Исследование электродинамических процессов в ионосфере осложняется тем, что ионосфера не является изолированной системой. Как часть околоземного космического пространства она тесно взаимодействует как с нижележащими слоями атмосферы, так и с магнитосферой, что так же влияет на распределение электрических полей и токов в ионосфере.
В свою очередь электродинамические процессы в ионосферной плазме способны влиять на динамику ионосферного газа, а вызываемые ими такие эффекты, как электрический дрейф заряженных компонент, может приводить к значительным пространственным перераспределениям его составляющих компонент. Особенно сильно эти эффекты проявляются в низкоширотной области ионосферы, где горизонтальное расположение силовых линий магнитного поля Земли и особенности в динамике термосферного ветра приводят к эффекту усиления тока в восточном направлении, получившем название
"экваториальной электроструи".
Поэтому надежные знания о механизмах формирования ионосферной токовой системы на средних и низких широтах необходимы как для построения физических моделей верхней атмосферы в естественных условиях и при активных воздействиях, для 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; совершенствования методов долгосрочного прогноза погоды и климата; изучения состояния околоземного космического пространства; оценки возможных направлений деградации природной среды из- за человеческой деятельности и экологических последствий глобальных изменений планетарных процессов.
Вопросы, связанные со всесторонним анализом электродинамических процессов в ионосфере, традиционно занимают важное место в международных программах и проектах геофизических и космических исследований. Это является свидетельсвом того, что исследования электродинамических процессов в ионосфере является актуальной и важной проблемой, имеющей большое научное и прикладное значение.
Однако, несмотря на несомненную важность, изучение электродинамических процессов в ионосфере не находится на должном уровне как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Экспериментальное изучение затруднено высокой стоимостью современных инструментальных комплексов, что существенно ограничивает их количество, неопределенностями в интерпретации результатов измерений, нерегулярностью и слабой координацией наблюдений. Сложность протекающих в ионосфере процессов, их многофакторность и многомерность, наличие множества источников генерации ионосферных токов не позволяют решить задачу электродинамики ионосферной плазмы в общей трехмерной постановке. Понижение размерности задачи приводит к тому, что созданные модели в состоянии описывать только часть электродинамических процессов, протекающих в ионосферной плазме.
Таким образом, проблема создания моделей ионосферных токовых систем, способных более полно описывать электродинамические свойства ионосферной плазмы, остается до настоящего времени актуальной. В частности, в математическом моделировании ионосферных электродинамических процессов слабо развиты возможности ис-
следования вариаций электрических полей и токов с высотой, а также оценка вклада различных механизмов в формирование ионосферной токовой системы.
Целью диссертационной работы является:
-
Создание физико- математической модели электрических полей и токов ионосферной плазмы, позволяющей описывать их высотно-долготное распределение на высотах термосферы в области средних п низких широт, способной учитывать влияние термосферных ветров и токов магнитосферного происхождения на формирование ионосферной токовой системы.
-
Исследование зависимости пространственно- временного распределения электрических полей и токов ионосферной плазмы от динамики термосферных ветров и роли различных механизмов формирования ионосферной токовой системы в зависимости от высоты.
-
Определение роли токов магнитосферного происхождения в формировании суточной изменчивости компонент электрического поля в области экваториальной электроструи для различных сезонов года.
Научная новизна работы заключается в том, что:
создана физико- математическая модель электрических полей и токов ионосферной плазмы в области средних и низких широт, способная описывать их высотно- долготные вариации в зависимости от динамики термосферных ветров и токов магнитосферного происхождения;
дана физическая интерпретация и установлены роли отдельных механизмов в формировании вертикальной и зональной компонент электрического поля и плотности тока в низкоширотной ионосфере при изменении динамики нейтральных компонент ионосферной плазмы и тензора ионосферной проводимости;
исследованы и произведены количественные оценки роли термо-сферного ветра и токов магнитосферного происхождения в формировании компонент электрического поля.
Научная и практическая ценность работы:
разработанная модель позволяет детально исследовать распределение электродинамических параметров ионосферной плазмы и роль различных механизмов в формировании ионосферной токовой системы в зависимости от высоты;
в результате численных экспериментов получены пространствен-
ные профили вертикальных компонент электрического поля и токов, что позволяет оценить их вклад в изменение как динамического режима ионосферного газа, так и в пространственные вариации его состава;
- разработанная модель позволяет рассматривать ионосферу, с точ
ки зрения электродинамики, не только как изолированную систему,
но и как часть околоземного космического пространства, открытого
для воздействий как с нижележащей атмосферой, так и с вышерас
положенной магнитосферой.
На защиту выносится:
-
Физико- математическая модель электрических полей и токов ионосферной плазмы в области средних и низких широт, способная описывать их высотно- долготные вариации в зависимости от динамики термосферных ветров и токов магнитосферного происхождения.
-
Результаты численных экспериментов по исследованию роли различных механизмов формирования электрических полей и токов в низкоширотной ионосфере в зависимости от их пространственно-временных вариаций, а именно:
а) количественная оценка роли токов Педерсена и Холла в форми
ровании вертикальной и зональной компоненты объемной плотности
тока для различных высотных слоев низкоширотной ионосферы;
б) рост с высотой роли вертикальной компоненты термосферного ве
тра в формировании зональной компоненты электростатического по
ля (на высотах F- области она может качественно изменять картину
суточного хода зональной компоненты электростатического поля);
в) токи магнитосферного происхождения создают предпосылки для
формирования "послезакатного пика" в зональной компоненте элек
трического поля; динамо эффект ионосферного нейтрального ветра в
состоянии усилить вклад магнитосферных источников и сформиро
вать "послезакатный пик", что характерно для распределения ней
тральных ветров и период равноденствия, или полностью скомпен
сировать его роль, что проявляется в периоды зимнего и летного
солнцестояния.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сделанных в работе определяется следующим:
соответствием полученных результатов модельных расчетов основным известным закономерностям, заложенным в основу модели;
проверкой возможности разработанной модели по качественному
представлению всего многообразия ранее надежно установленных эффектов и явлений, присущих низкоширотной ионосфере, и количественной оценкой точности описания основных параметров, проведенных на базе сравнения полученных результатов с большим рядом экспериментальных данных и с результатами, полученными па других моделях;
- проведением ряда тестовых расчетов, показавших устойчивость разработанного численного алгоритма.
Взаимоотношения с соавторами. Основные результаты диссертации, опубликованные в 12 работах, являются оригинальными и получены лично автором. Совместно с руководителем была определена общая программа исследований и ее отдельные этапы. Разработка физико- математической модели электрических полей и токов ионосферной плазмы в области средних и низких широт и эффективного численного алгоритма ее реализации, написание пакета прикладных программ и проведение численных расчетов на ЭВМ были проведены автором лично. Разработка модели нейтрального ветра и параметров термосферного газа проводились совместно с Королевым С.С.
Апробация работы. Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе- семинаре молодых ученых " Математическое моделирование в естествознании и технологии" (Светлогорск, 1988г.), IV Международном симпозиуме по солнечно- земной физике (Самарканд, 1989г.), Международной конференции по физике солнечно- земных связей (Алматы, 1994г.), Международной конференции "100 - летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники." (Москва, 1995г.), XIX семинаре "Физика авроральных явлений", (Апатиты, 1996г.), Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно- земной физики", посвященном 60- летию регулярных ионосферных исследований в России (Томск, 1996г.), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн, (Улан- Уде, 1996г.), International conference on problems of geocosmos (St.- Petersburg, 1996.),Всесоюзной научной конференции "Физические проблемы экологии (физическая экология)" (Москва, 1997)
Структура и обт>ем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 17 рисунков и списка литературы из 118
наименований. Общий объем - 118 страниц.
