Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I.
1. Модельное представление крупномасштабных геомагнитных вариаций в области высоких широт
1.2. Модельное описание крупномасштабных электрических полей в высокоширотной ионосфере I?
1.2.1. Генерация крупномасштабных электрических полей в ионосфере
1.2.2. Модельное описание электрических полей в высокоширотной ионосфере на основе радарных 13
1.2.3. Описание крупномасштабных электрических полей на основе спутниковых 22
1.2.4. Модели Хеппнера и Волланда 23
1.2.5. Расчет электрических полей по заданным продольным токам и проводимости ионосферы 24
1.2.6. Расчет крупномасштабных электрических полей по данным сети магнитных станций 27
1.3. Модельное представление крупномасштабных токовых систем в ионосфере высоких широт 28
І.З.Х. Модельное описание продольных токов 28
1.3.2. Ионосферная часть токовой системы 32
1.4. Моделирование геомагнитных вариаций, электрических полей и токов в сибизмире 34
ГЛАВА 2.
2.1. О масштабе решений
2.2. Постановка задачи :. 44
2.3; Погрешности модели и корректирующий фактор 52
ГЛАВА 3.
3.1. Модельные составляющие магнитного поля, эквивалентного и ионосферного тока для летнего сезона года.. 60
3.2. Модельные составляющие магнитного поля, эквивалентного и ионосферного тока для зимнего сезона года 72
3.3. Модельные составляющие магнитного поля, эквивалентного и ионосферного тока для равноденствия 81
3.4. Сопоставление модели магнитного поля с экспериментом 85
3.5. Основные выводы 86
ГЛАВА 4.
4.1. Модель крупномасштабного электрического поля для летнего сезона года 94
4.2. Модель крупномасштабного электрического поля для зимнего сезона года Ю2
4.3. Модель крупномасштабного электрического поля для равноденствия ПО
4.4. Зависимость распределения крупномасштабного электрического поля от волновой части проводимости ионосферы 112
4.5. Оценка корректирующего фактора 114
4.6. Сопоставление модели электрического поля с экспериментальными данными 120
4.7. Основные выводы 129
ГЛАВА 5.
5.1. Крупномасштабная структура продольных токов и токов замыкания в высокоширотной ионосфере для летнего сезона года 133
5.2. Крупномасштабная структура продольных токов и токов замыкания в высокоширотной ионосфере для зимнего сезона года , 146
5.3. VT-эффект проводимости в продольных токах 157
5.4. Полные продольные токи :. 158
5.5. Сопоставление модели продольных токов с экспериментальными данными 161
5.6. Основные выводы 171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Одной из самых сложных проблем современной геофизики является проблема взаимодействия магнитосферы Земли с солнечным ветром. В результате выполнения программы "Международные исследования магнитосферы" в 1976-1979 гг. был достигнут значительный прогресс в понимании физики магнитосферы. Были получены новые сведения о строении магнитосферы, определены геоэффективные параметры солнечного ветра и т.д. Но способы передачи энергии солнечного ветра в магнитосферу и, следовательно, механизмы генерации магнитосферных возмущений остались нераскрытыми. Природа сложных физических процессов в околоземном пространстве во многом определяется крупномасштабным электрическим полем. Свойства этого поля зависят от структуры магнитосферы и ионосферы: геометрии силовых линий геомагнитного поля, распределения проводящей плазмы, а также от электромагнитного поля солнечного ветра. В настоящее время также известно, что геомагнитные вариации на поверхности Земли в ооласти высоких широт создаются трехмерными токовыми системами. В распоряжении исследователей тлеется достаточно обширный цифровой материал, собранный за длительный промежуток времени - это среднечасовые значения компонент вектора напряженности геомагнитного поля. Недостаточное количество экспериментальных данных об электрических полях и токах в ионосфере высоких широт делает актуальным решение задачи о создании модели высокоширотного магнитного поля, контролируемой параметрами межпланетного магнитного поля (ММП), и восстановление на ее основе крупномасштабных электрических полей и трехмерных токовых систем в ионосфере высоких широт, т.е. создание комплексной модели взаимосвязанных характеристик геофизической обстановки в высоких широтах, описывающей реакцию этих характеристик на изменение ситуации в межпланетной среде на уровне орбиты Земли,
Целью работы является создание комплексной модели крупномасштабных характеристик геофизической обстановки в области высоких широт и включающей в себя модели:
а) крупномасштабных горизонтальных геомагнитных вариаций ;
б) крупномасштабного поперечного электрического поля Е (% MLT) и его потенциала У (Ф, NLTJ В высокоширотной ионосфере;
в) поперечного ионосферного тока J (Ф, HLTJ и его составляющих (эквивалентного тока J±(}(т; NJLT) и тока замыкания продольных токов
г) крупномасштабных структур продольных токов j. ( p,MLT) в высоких широтах, для двух уровней геомагнитной возмущенности (IL " 3, В О и Кр 5 3, Bg : 0), исключая периоды сильных геомагнитных возмущений (активные фазы суббурь и бурь) • Комплексная модель строится для трех сезонов года (лето, зима, равноденствие) с учетом неоднородной интегральной проводимости ионосферы и зависит от В и By компонент вектора напряженности ШП. Модель определена на регулярной сетке с шагом - дф = 1° и A HIT = I час в системе координат Ф - исправленная геомагнитная широта и MLT- местное магнитное время в области высоких широт Ф , 60°.
Необходимость адаптации задачи к целям гелиофизической службы задает еще одну из целей работы, заключающуюся в выборе и оценке по экспериментальным данным корректирующего фактора, использование которого должно обеспечить возможность практического использования модели. Оценка работоспособности модели проводится на экспериментальных материалах.
Новизна представленной в диссертации работы, заключается в том, что впервые создана комплексная числовая модель взаимосвязанных крупномасштабных характеристик геофизической обстановки в области высоких широт, зависящая только от двух параметров Bf и EL ШІ и позволяющая оценивать для любых моментов времени, для которых известны значения параметров ЕМП, пространственные распределения геомагнитного поля, ионосферного электрического поля и его потенциала, ионосферного поперечного тока и его составляющих, а также продольных токов на регулярной сетке, покрывающей область высоких широт Ф 60°, с учетом неоднородности проводимости ионосферы, для двух уровней геомагнитной возмущенности и трех сезонов года.
Результаты расчетов помещены на машинный носитель (магнитный диск, магнитная лента) и представляют собой "элементарные" вариации соответствующих величин для указанных условий, т.е. такие вариации, которые отражают реакцию моделируемых величин на изменение одного из параметров ШЇЇ на единицу величины, а также отражают вклад, обусловленный квазивязким взаимодействием магнитосферы с солнечным ветром. Такой набор входных параметров и способ хранения результатов расчетов позволяют с минимальными затратами ресурсов ЭВМ на вычисления быстро и достаточно подробно описывать пространственно-временные распределения моделируемых величин для выбранного сезона и уровня геомагнитной возмущенности во всей области высоких широт.
Практическая ценность модели, разработанной в диссертации, заключается в том, что она позволяет исследовать связь магнито-сферно-ионосферных явлений с условиями в межпланетном пространстве. Она необходима для уточнения геометрии источников электрических полей и токов в магнитосфере Земли, для проведе - 8 ния расчетов конвекции плазмы в высокоширотной ионосфере, а также расчетов электрического поля в столбе Земля-ионосфера и оценки джоулева нагрева ионосферы и передачи тепла в нижележащие слои атмосферы, для расчета магнитных полей в магнитосфере, создаваемых трехмерными токовыми системами в высоких широтах; Модель можно использовать для анализа экспериментальных наблюдений, которые проводятся, как правило, в ограниченном районе высоких широт. Кроме того, модель может быть использована в прикладных целях:
- расчет динамики поведения спутников за счет изменения геофизической обстановки в магнитосфере и ионосфере Земли;
- общая оценка геофизической обстановки, а при заблаговременном получении параметров ШН и ее прогноз в области высоких широт с целью передачи этой информации в реальном масштабе времени заинтересованным специалистам и организациям: специалистам по составлению ионосферных прогнозов и расчетам радиотрасс, организациям, заниглающимся медико-биологическими исследованиями, геологическими изысканиями, эксплуатацией трубопроводов, специалистам, оценивающим наводки на линии электропередач, рассчитывающим радиационную безопасность, проводящим магнитные съемки и т.д. Двтор защищает,
- результаты расчетов на основе представления элементарными вариациями среднечасовых значений крупномасштабного геомагнитного поля, электрического поля и его потенциала, ионосферного тока и его составляющих (эквивалентного тока и тока замыкания продольных токов), а также плотностей продольных токов на уровне ионосферы в зависимости от сезона года и уровня геомагнитной возмущенности для неоднородной интегральной проводимости ионосферы. Одна из элементарных вариаций обусловлена квазивязким взаимо - 9 -действием магнитосферы с солнечным ветром, а другие - описывают реакцию моделируемой величины на изменение В2 и By ММП на I нТл. Линейная комбинация элементарных вариаций с весовыми коэффициентами, равными указанным параметрам ММП, позволяют получить оценку пространственного распределения модельных величина на регулярной сетке в области высоких широт Ф 60°;
- модель продольных токов, позволяющую объяснить структуру зон 1-3 продольных токов, наблюдавшуюся на спутнике ТРИАД, а также предсказать вариации этой структуры с помощью азимутальной и вертикальной компонент вектора ММП;
- модели геомагнитного, электрического поля, потенциала электрического поля, а также ионосферных токов, позволяющие предсказать крупномасштабные пространственные распределения соответствующих величин для любой устойчивой в течение часа реальной ситуации в ММП, а также существенно облегчить интерпретацию экспериментальных данных;
- выбор корректирующего фактора на основе учета высоты ионосферы и эмпирического отношения составляющих потенциала геомагнитного поля от внутренних и внешних источников.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 139 наименований. Диссертация содержит І ЗО страниц машинописного текста, 44 рисунка и 6 таблиц.
В первой главе дается аналитический обзор эмпирических моделей геомагнитных вариаций, электрических полей и токов в ионосфере высоких широт. Во второй главе описаны постановка задачи, приведен анализ погрешностей модели и обоснована необходимость введения корректирующего фактора, а также дана его нижняя оценка на основе рассмотрения погрешностей модели за счет пренебрежения высотой ионосферы и выбора модели идеально проводящей Земли.
В ставах 3-5 диссертации описаны элементарные вариации геомагнитного поля и эквивалентного тока, электрического поля и его потенциала, продольных токов и токов замыкания в высокоширотной ионосфере в зависимости от ситуации в МГШ, уровня геомагнитной возмущенности и сезона года, а также описано сопоставление модельных расчетов с экспериментальными данными, В заключении приведены основные выводы работы.
Личный вклад автора заключается в том, что он принимал участие в обсуждении постановки задачи, в частности, автор ввел в задачу корректирующий фактор на основе учета высоты ионосферы и эмпирического отношения составляющих потенциала геомагнитного поля за счет внешних и внутренних источников и провел его оценку с помощью экспериментальных данных, что обеспечило возможность практического использования модели, составил программу для ЭШ и провел все расчетные работы, интерпретировал все результаты расчетов, использованные в диссертации, провел сопоставление модели с экспериментальными данными.
