Механизмы суббурь в ионосфере Деминов, Марат Гарунович

Введение к работе

Суббуря - комплекс геофизических явлений, связанных с диссипацией энергшг, поступающей или. уже накопленной в магнитосфере из солнечного натра. Ионосферными проявлениями суббури являются суббуря з поглощении радиоволн (или суббуря в нижней ионосфера), суббуря в радиосиянглх (или суббуря l< тонкой, мелкомасштабной структура ионосферы), суббуря в ионосфере (или суббуря в крупномасштабной структуре ионосферной плазмы на высотах Е-слоя и выше, включая плаэмосферу). Суббурю в ионосфере часто называют еще деформацией или модификацией ионосферы в периоды суббурь.

В диссертации развита теория и определены механизмы суббури в ионосфере, авроральных, субавроралъних, средних и экваториальных широт.' Эта теория построена на основе развития единого аналитического под ода к решению данной проблемы. . ,

Актуальность проблемы. Хородо известно, что проблема теоретического описания и выяснения механизмов суобури в ионосфере является одной из ключевых в физике ионосферы и ионосферно-маг-нитосферных взаимодействий. При решении данной проблемы важно, чтобы теория обладала физической наглядностью и точностью, приемлемой для реяения обратных задач физики ионосйеры. Это связано со следующими научн'лми и прикладными аспектами Проблемы суббури в ионосфере.

Суббуря"в ионосфере - наиболее часто реализуема глобальная модификация ионосферы, которая приводит к изменению условий распространения радиоволн и часто является причиной срыва радиосвязи. Она монет иметь разный характер в различных областях ионосферы и очень широкий набор характерных времен кодификации ионосферы: от.нескольких минут до суток, а в плазмосфере до нескольких десятков сугок. Сложность явления приводит к тому, что без физически наглядного понимания природы суббури в ионосфере часто не ясно даже как систематизировать данные наблюдений. Поэтому количественные эмпирические модели даже отдельных проявлений суббури в ионосфере только еще начинают создаваться-

Тем не менее, обычно характеристики vc-дификации ионосферы в периоды суббурь известны лучше, чом причины,обеспечивающие эту модификацию.

-4-
Так, не били поняты механизмы даже наиболее ярких,сильных из
менений з ионосфере; аномальное увеличениеэлектронной кон
центрации в полярной шапке, исчезновение Р2-слоя в аврораль-
ной области', образование поляризационного джета с полями более
100 мВ/м в области гласного ионосферного провала и сильное
изменение ионного состава в этой области, аномальный подъем .
Р-слоя над екватором. Для определения количественных характе
ристик ьтих механизмов по ионосферным данным необходимо, что
бы теоретическая модель ионосферы обладала точностью, прием
лемой для решения обратных задач физики ионосферы, При анали
зе, механизмов суббурь не менеи важним является решение прямых
задач физики ионосферы и ионойферно-магнитосфернрго "взаимодей
ствия. Тем более, что часто несколько "причин ионосферных суб
бурь могут действовать одновременно. ,

- Не менее важными являются и прогностические аспекты данной проблемы, поскольку разработанное методы прогноза суббури в ионосфере отсутствую.. Поэтому на первом этапе важно дать те-' оретичзское объяснение.или предсказать гелио-геофиэические условия (уровень солнечной активност: , сезон, местное время, область локализации), при которых вероятность реализации, наиболее сильных изменений в ионосфере в периоды суббурь максимальна и, тем самым, довести результаты теории до прогностического уровня. Так*ой прогноз условно можно назвать долгосрочным прогнозом. Ясно, что для использования теории в прогнозировании динамики ионосферы по ходу развития субоури (краткосрочный прогноз) эта теорг :должна быть оперативной, поскольку должна предусматривать возможность коррекции модели по ходу развития суббури.

Для решения данной проблемы наїли развит единый методический подход, который можно сформулировать как аналитический подход в физика и моделировании суббурь в ионосфере» поскольку он основан на развитии и применении аналитических, методов решения уравнений, описывающих распределение концентраций заряженных частиц.ионосферной плазмы,и уравнений для причин суббури в ионосфере. Такие решения названы теоретическими.(аналитическими) моделями, Приостановке задач характеристики высыпающихся.и захваченных частиц плазменного слоя принимались из теории суббури в магнитосфере идо-пр.данным-измерений, или определялись

на основе решения обратных задач физики ионосферы с помощью аналитической модели ионосферы. Поэтому основное внимание было уделено построению теоретически модели для двух причин ионосферной суббури: электрических.полей магнитосф:ерной конвекции и крупномасштабных внутренних гравитационных волн (ВГВ) атмосферы, генерируемых в периоды суббурь. Аналитические модели электронной концентрации и ионного состава, 'электрического поля магнитосферной конвенции и крупномасштабной ВГВ, совместно с аналитической аппроксимацией (моделью) скорости ионизации атмосферы ааморальными электронами, образуют совокупность связанных моделей для исследования суббури з ионосфере, которая названа теоретической моделью суббури в ионосфере.

Основное отличие от построенных ракез аналитических моделей ионосферы заключается в том, что нами развивались'метода решения, ''свободные от искусственного упрощения характера расп^-ределекия контролирующих ионосферу параметров, что обеспечивало оптимальное сочетание физической наглядности, оперативности и точности аналитических моделей. Создание такой модели 'имеет и самостоятельное значение,-поскольку она может быть использована для анализа более широкого., чей суббуря, класса явлений»

Более конкретно цель работы была сформулирована следующим образом,

Цель работы:. . .

1. Разработать методический подход в Исследовании механизмов суббурь в ионосфере, а именно, физически обосновать исходную систему уравнений и развить аналитические методы решения этих уравнений, которые обеспечивали бы физическую наглядность и поиемлемую для решения обратных задач точность. .

2. Создать на основе этого подхода теоретическую модель суббури а ионосфере.

3. Разработать <. помощью этой модели механизма суббурь в ионосфере и тем самым*.-

а) дать теоретическую интерпретацию основной последователь
ности событий з ионосфере в периоды суббурь;

б) дать теоретическую интерпретацию наиболее сильных изме
нений в ионосфере в периоды суббурь;

в) выделить гелио-г-еофизичаскиэ условия, при. которых веро
ятность -реализации этих'сильных-изменений в ионосфере мзксй-

сальна.

Научная новизна раб о ти определяется постановкой, и- результа
тами решения проблем;; ,

I. Разработанная теоретическая модель еуббур*-: в ионосфере представляет собой первую успешную:попытку построения модели, которая обеспечила оптимальное сочетание физической наглядности', оперативности и точности результатов теории. Новыми являются и составляющие этой кодел и;

1. Аналитическая модель распределения концентраций заряженных частиц ионосферной плазмы при корректном учете контролирующих ионосферу процессов ьо ъсек реально наблюдаемом диапазоне их изменений, Она получэна на основе системы уравнений для многокомпонентной ионосферной плазми, в которой впервые одновременно учтены следующие пррцесси.переноса: диДфузия, теріиодиффузия, дрейф из-за электрического поля и терг.юекерного ветра, оЭДекты продольньк токов ""оехмерней токовой системы. Эта модель позволила ш.^рвые'корректно определить вклад ряда процессов в перераспределение ионосферной плаз>.!ы,. напоимер: сильного разогрева ионосферы на mv: нанке ионного состава, продольных токов на перераспределение электрошок концентрации. F- областиу

2. Аналитическая модель глобального; распределения электрического поля магнитосферной конвекции б|., на разных стадиях развития суббури, в которой вперила учтены связь ыезду Е_м , продольным током, ионосферной ... эффективной* магнитосферной Прово, ж.гостя.<:и, влияннз нестацнонадіїосїИі ионосферной- проводимости авроральной облает.»: на Ё'_}1.

3. Аналитическая модель распространения; крупномасштабной: ВГБ. в. т-ермосферз, полученная, на. аскоье уравнения для BFB', в которой, впервые одновременна, учтены нелинейность,-дчеперсия, молекулярные вязкость и. теплопроводность, изменения фоновых параметров термосферы вдоль распространения БГВ.

4. Аналитическая модель скорости, ионизации термосферы аморальными электронами, пригодная для любой модели термас^е-ры.и позволяются оперативно определять эту скорость для произвольного энергетического спектра этих электронов.

С помощью этой теоретической модели разработаны механизмы

еуббурь,позволившие впервые:

2. Дать теоретическую интерпретацию и выделить гелио-гео-:]:изические условия, при которых наблюдают л наиболее сильные изменения в ионосфере: аномальное увеличение электронной концентрации в полярной шапке; исчезновение Р2-слоя в азрораль-ной области; образование поляризационного джета с полями более 100 нВ/м в области главного ионосферного провала и сильные изменения ионного состава в этой области (увеличение относительного содержания ионов fJB ^f на высотах 200-250 км более чем на два порядка); аномальный подъем F-слоя над экпато-. ром.

3. Теоретически показать и дать обоснование: устойчивости распределения электронной концентрации в экваториальной плоскости вида N ~ {Л /я ) * внутри плазмосферы и в центральной части плазменного слоя к изменениям во времени электрического поля магнитосферной конвекции; важной роли не стационарности проводимости ионосферы авроральной области в перераспределении электрического поля магнитосферной конвекции.

4. Дать объяснение впервые обнаруженных нами: явления SSC в Р2-слое ионосферы; усиления долготного эффекта в положении и форме главного ионосферного провала в первые сутки после окончания интенсивной суббури или бури а магнитном поле и предсказать сильный долготный эффект п положении плазмопаузы в это время.

Достоверность полученных в работе результатов определяется:

а) детальным физическим обоснованием исходных уравнений и принципов построения теоретической модели суббури в ионосфере; б) адекватностью теории, установленной в каждом конкретном случае путем сопоставления расчетов с результатами измерений по максимально возможному числу параметров; в) обнаруженными на основе теории новыми экспериментальными фактами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

I. Разработанный подход в исследовании суббурь в ионосфере , базирующийся на физически обоснованной системе исходных уравнений и методах построения аналитических решений этих уравнений, которые позволяют обеспечить физическую наглядность, оперативность и приемлемую для резения обратных задач

точность результатов теории:

5. Результат реализации этого единого методического подхода в виде теоретической модели .суббури в ионосфера, представленной совокупностью взаимосвязанных моделей электронной кон-, центрацин и ионного состава, электрического поля магнитосфер-ной конвекции, крупномасштабной внутренней гравитационной волны и скорости ионизации атмосферы авроральиикп электронами.

6. Разработанные с помощью этой теоретической модели механизмы суббурь в ионосфере, позволившие:

а) дать теоретическуи интерпретацию основной последователь
ности событий в ионосіїерз в периоды суббурь;

б) дать теоретическую интерпретацию наиболее сильных изме
нений в ионосфере в периоды суббурь, таких как: аномальное
увеличение электронной концентрации над полярной шапкой, ис
чезновение Р2-СЛОЯ в авроральной области, аномально сильное
изменениз состава ионосферы на субавроральпых широтах, сильный
долготный эффект в конфигурации и положении ионосферного Прова
ла, аномально высокий подъем F-слоя над экватором;

в) вьделить гелио-геофизичрские условия, при которых вероят
ность ^ализации этих сильных изменений в ионосфере максималь
на, и тем самым дове ти результаты теории до прогностического
уровня.

Научная и практическая значимость работы определяется положениями, которые выносятся на защиту:

разработанный Подход является основой для исследования широкого класса явлений, поскольку позволяет получать модели ионосферы практически для всего диапазона гелио-геофизических условий;

теоретическая модель суббури в ионосфере позволила определить последовательность, характеристики и относительную роль механизмов суббури в ионосфере, обеспечить оперативность и приемлемую точность"воспроизведения параметров ионосферы и, тем самым, создать основы для разработки методов прогноза суббурь в ионосфере.

Реал из ация PQ зультатов.Ре зудьтаты работы использовались в ДАНИИ, ИКФИА, ГОИ, СІТИ при проведении работ по проблемам физики околоземного космического пространства и отражены в отчетах по выполненным в ИЗМИРАН научно-исследовательским рабо-

—9-

там "Ионосферно-магнитосферыэ взаимодействия" (№гос.рег. 76053919), "Физика и пространственная структура ионосферной плазмы в возмущенных условиях" (№г а.рвг.01017463), "Пространственно-временная структура ионосферы Земли" ОГтос.рег. 01.86.0078167), в которых автор являлся научным руководителем или соруководителем.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты,основное содержание которых отражено в 29 публикациях. В опубликованных в соавторстве статьях автору принадлежит, в основном, постановка задачи, включая выбор метода решения задачи, и совместный анализ полученных результатов. Многие из этих результатов вошли в выполненные под руководством автора кандидатские диссертации В.П.Кима, В.В.Хегая (соруководитель И.А.Жулин), Н.А.Килифарска (соруководитель Н.П.Бенькоза), В.И.Бадина, А.Т. Карпачева, В.Н.Шубина. В статье с З.И.Баднным о динамике проте носферы, в статье с В.П.Кимом и В.Н.Шубиным о распределении, электрического поля магнитосферной конвекции, в статьях с Г.Ф.-Деминовой, Ю.С.Сйтновым и А.Я.Фельдштейном по экваториальной ионосфере вклад соавторов равный.

. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на
Всесоюзных семинарах по моделированию ионосферы (Томск,1978;
Тбилиси,i960; Иркутск,1984; Звенигород,1989) на Всесоюзных
конференциях по физике ионосферы (Ростов,1974; Ашхабад,1976;
Мурманск,1979), на симпозиумах и семинарах КАПГ (Ашхабад,1979;
Сочи,1934; Калуга", 1988), на Всесоюзном совещании по физике по
лярной ионосферы (Норильск,1980), на Всесоюзном семинаре "Ак
туальные вопросы изучения суббури"(Апатиты,1978,1981), на Все
союзном совещании. "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосфе-
рные связи" (MypMaf.к,1984), на Всесоюзном совещании "Крупно
масштабная структура субавроральной'ионосферы" (Якутск,1981),
на Международной шко э по физике ионосферы (Сочи,1983), на Ге
неральной ассамблее МАГА (Прага,1985), на Международном симпо
зиуме КО'СПАР (Эспоо, Финляндия, 1988). _t

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем 379 страниц. Из них 286 страниц текста, 5С рисунка и 3 таблицы-на 5ь страницах, список литературы из 357 названий на 37 страницах.