Модели F-области ионосферы переходных широт в спокойных и возмущенных условиях

Широкое использование высотных профилей электронной концентрации в решении практических задач по распространению радиоволн и вопросах моделирования ионосферных процессов потребовало тщательного изучения закономерностей пространственно-временного изменения этого параметра для различных периодов суток и условий гелио-геофизической активности. Однако систематизация Ие (Ь) -профилей представляется трудной задачей, поскольку особенности поведения ионизации регулируются влияниями сложного комплекса физико-химических процессов. При этом наиболее важная роль принадлежит процессам ионизации и разогрева, обусловленными как действием ультрафиолетового излучения Солнца, так и вторжением корпускул. Если интенсивность первого источника растет к экваториальным широтам, то влияние второго усиливается по мере продвижения к полярным широтам. Подобная географическая закономерность поглощения энергии этих источников, в основном, ответственна за существование широтных вариаций параметров ионосферной плазмы на высотах 200−400 км.

Картина широтных вариаций параметров атмосферы на ионосферных высотах создаётся, однако, не только вышеупомянутыми факторами. В частности, над экваториальной зоной под действием струйного тока и меридионального магнитного поля возникает интенсивный вертикальный дрейф электронно-ионного газа, что вызывает существенное перераспределение ионизации. А высокоширотная ионосфера наряду с электродинамическими процессами испытывает воздействие потоков заряженных частиц. Вторжение частиц в авроральную область вызывает не только повышение ионизации, но и разогрев ионосферы, что в свою очередь меняет характер ветровой системы. Эти и другие специфические явления существенно усложняют изучение физики и разработку экспериментальных и теоретических моделей Р области ионосферы.

Ионосфера в интервале геомагнитных широт 20°-40°, названным нами базовыми или переходными широтами, наиболее свободна от вышеупомянутых вторичных эффектов. Вне отно-временные изменения электронной концентрации в этой зоне регулируются в основном внутренними агрономическими и диффузионно-динамическими процессами и лишь частично испытывают воздействия процессов, происходящих в высоких широтах. Поэтов изучение физики Р области на переходных широтах приобретает особый научный и практический интерес. С одной стороны, полученные при этом результаты могут быть весьма полезны в более углубленном изучении физики Р области вообще, а, с другой стороны, разработанные на их основе модели имеют прогностическое значение. При этом, говоря о моделях, следует сказать, что е последние годы разработан ряд эмпирических, теоретических и гибридных моделей ионосферы. Однако в условиях все возрастающего требования к надёжности и качеству радиопрогноза проблема дальнейшего углубления модельных представлений параметров ионосферы остаётся одной из актуальных направлений ионосферных исследований.

Целью данной работы является комплексное экспериментальное и теоретическое изучение физики и разработка соответствующих моделей Р области ионосферы на переходных широтах.

Научная новизна работы.

I. Предложен оригинальный способ расчета П&euro- (Ь) — профилей, позволяющий в несколько раз сократить трудоёмкую работу по подготовке и вводу первичных радиофизических данных в ЭВМ. Показано, что использование метода уплотнённой записи чисел и компактной схемы Гаусса позволяет существенно ускорить вычислительный процесс в реализации алгоритмов численного решения системы дифференциальных уравнений Р области ионосферы.,.

2. Проанализирован обширный экспериментальный материал, полученный в результате машинной обработки ионосферных данных станции «Ашхабад» .

3. Разработаны и созданы эмпирическая и теоретическая модели 3? области ионосферы на переходных широтах для спокойных и возмущенных условий.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что шолученные результаты могут быть использованы: в расчетах траектории распространения радиоволн и в прогнозе радиосвязи, в повышении эффективности использования машинного времени в ионосферных исследованиях, в разработке более общей теории образования Р области ионосферы и при интерпретации различных физических явлений в ближнем космосе. На защиту выносятся: результаты комплексного изучения широтной, и долготной особенностей ионизации 3? области ионосферы, предложенные способы повышения эффективности использования ЭВМ в ионосферных исследованиях, разработанные эмпирическую и теоретическую модели Р области на переходных широтах и результаты приложений, разработанной теоретической модели к интерпретации некоторых гелио-гео-физических явлений.

Рассмотренные в диссертации задачи входят в план научно-исследовательских работ лаборатории ионосферных исследований ФТИ АН ТССР.

В первой главе исследуются широтные особенности структурных параметров нейтральной атмосферы и ионосферной плазмы. Во второй главе построена эмпирическая модель электронной концентрации, и исследованы высотно-временные и долготные особенности 5 области ионосферы. Результаты теоретических модельных исследований особенностей высотро-временных вариаций электронной концентрации и других параметров ионосферы приводятся в третьей главе работы.

I. ОСОБЕННОСТИ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРАЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА ВЫСОТАХ ОБЛАСТИ Р.

В последние годы были произведены запуоки целого ряда специализированных геофизических ракет и спутников Земли, предназначенных для измерения параметров верхней атмосферы. Они позволили получить значительные по объёму и более качественные экспериментальные данные о составе и концентрации нейтральных и ионизированных частиц. Использование этих данных в определенной степени позволяет нам судить о широтной вариации изучаемых параметров.

2.5 Выводы.

I. Разработан оригинальный опоооб усовершенствования программы расчета Пе (Ь) — профилей, позволяющий в несколько раз сократить трудоёмкую работу по подготовке и вводу первичных данных. Проанализирована адекватность использованного метода расчета.

Пе (Ь) — профилей и показано, что он позволяет проследить за изменениями параметров ионосферы в межслоевых впадинах, получить более точные профили ионизации для Е области ионосферы и изучить временные вариации электронной концентрации в особых гелио-геогра-фических условиях (солнечные затмения, ионосферная возмущенность и др.).

2. На основе большего массива Ле (Ь) — профилей, полученных в результате обработки данных ионосферной отанции «Ашхабад» и экспериментальных результатов «Алуэт-2», построен полный профиль электронной концентрации для различного времени суток и сезона года и гелио-географических условий. В совокупности они составляют эмпирическую модель? области ионосферы на переходных широтах.

3. Выявлены основные морфологические закономерности долготных особенностей ионизации 3? области ионосферы. Показано, что долготные особенности наблюдаются в любой период 11-летнего цикла солнечной активности и обусловлены различием соотношений реком-бинационных и диффузионных процессов. От спокойных к возмущенным условиям долготная зависимость ионизации изменяется. Так, в периоды геомагнитной активности, в равноденственный и летний сезоны она усиливается, а зимой наоборот ослабляется. Обнаружено аномальное уменьшение электронной концентрации над японскими станциями летом в дневное время, что объясняется изменением состава нейтральной атмосферы.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОТНО-ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ ПАРАМЕТРОВ Р ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ НА ПЕРЕХОДНЫХ ШИРОТАХ.

3.1 Основные уравнения, описывающие поведение Р области ионосферы.

Из предыдущих глав следует, что при моделировании физических процессов области Р ионосферы на переходных широтах можно не учитывать влияние переноса электронно-ионного газа от экваториальной зоны вдоль силовых линий и потоков частиц высоких энергий, действующих в основном на геомагнитных широтах превышающих 40°. Ниже этих широт спородические потоки энергичных частиц обнаруживаются, в основном, в зонах геомагнитных аномалий [раздел 2.4.2]. Поэтому при анализе мы воспользуемся системой уравнений для среднеши-ротной Р оэласти ионосферы ^О^З •.

Система включает в себя четыре уравнения баланса для ионов 0+ 0+, ||0+ и Н± два уравнения меридиональной и зональной составляющих скоростей нейтрального газадва уравнения теплопроводности для электронов Те и ионов Т^. Сокращенно система записывается в следующем виде:

Ш 1 Гг 1 Л аг м* з? к г-1 ,".

7СГм т/2 ^ м ' 2и * 117 Т.

Мк дГ Мк дЬ дЬ п. дПк, л дпЛ К.

ГДе — /^ = 2,/б-/<�Г5даае, си-'.с fil — концентрация ионов, значения j =1,2,3,4 соотвеяст-вуют составляющим 0Z, N0^ О, HАг-высотаО. — угловая скорость вращения Земли, SVtrri + m• - приведенная масса — у.- часу ', ^ тота столкновения ионов с нейтралами, L =1,2,., 5 соответствуют нейтральным составляющим атмосферы. Для меридиональной составляющей скорости ветра индекс В —ос и третий член на правой стороне (&2) записывается в виде -+, в то время как для зональной составляющей скорости Z = y и тот же член имеет вид:

— коэффициент теплопроводностиАцС/цу/Ь L — число Лошмидта — молярная теплоёмкость электронов при постоянном объеме — L= w Ддя электронов к-е и Р0 = Р0 + Р^, для ионов К — 1 и Р, а Рт — PQ — скорость нагревания электронного газа под действием фотоэлектронов pf®) — скорость охлаждения электронного газа при их столкновений с ионами и нейтралами.

В уравнениях используются следующие ионно-молекулярные, ионно-обменные и рекомбинационные реакции [1043 :

0+ +/V2 —N0+ + N & = 5 Ю'^см^ек" 1.

0+ + 02— 0| + 0 h = 1,6 ДГ11.

0+ + H —- Н+ + О ?3 = 2 ю~9.

Н+ + 0 —0+ + H⁴ = 8/9 (3.4).

V2 + 02— 02 + Цг ?5 = 1 пГ10.

N1 +0— /V0+ +A/ - k = 2,5 I0~10.

О^.

Уо+ ч N0 + в + е е.

К0+ - 0 ^ N.

-/V о2 + о + о N.

7 Ю" «8 100- Т£.

7=8 Ю~10 г = 4,7 ю" «8(юоо/те)3/2.

3 = 2,8 Ю" 7(Ю00/Т6)¾.

Значения для [N0] и определяются из эмпирической зависимости [104] .

N0] = 2 • 10гехр (-3300/тп)-Ш + 5 Ю и из условия фотохимического равновесия.

1 = %г, А Ю + * И + ?3 «е).

Для частот столкновений используются выражения, приведенные в работа [104].

— 9 /ф /тппп^О, 28|*0^.

— 9 Г ~~.

9 9.

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9.

2,°2.

0².

2, 0 о+, о2 о+, гг2.

0+ О 0+, 0 0 + Д.

0+, 0 н+ о н+, н о+, н.

Н+, Не 0+, Не 0+, Н+ 1,17 10″ ^ (Т /1000)* 0,89 10 = 0,75 КГ9 [О] 0,9 10″ * [% 0,83 10' >-9 0,76 ДГ9 [0], 1,0 10 ^ [0- = 1,08 Ю" 9Щ = 1,86 10~9 (Т /1000)°'37 [о], = 2,52 КГ9 [о], 12,03 Ю" «9 (/Ю00)0,58 [н], = 2,19 Ю» 19[Н] = 1,04 10 ~9 [Не] = 0,52 10 ~9 [Не] = 4,2 Ю" 5[Н+].

Изменения концентраций нейтральных составляющих атмосферы по высоте брались согласно барометрическим законам распределения.

Yh) = п. Г/20)• Т" ('г0) ехр dh .

J d (- [Tn (h)]^ р|(k){w.

Для [He] и [H] значения tj соответственно равны — 0,33 и — 0,25, для остальных составляющих? j=0 [79].

Выражение для скорости фотоионизации имеет вид: =n/h) 1)? еф №.

Значения потока ионизирующего излучения Солнца сечений ионизации и поглощения были взаимотвованы из работ [27, 28]дтабл.3Л).

Все 8 уравнений системы являются дифференциальными уравнениями 2-го порядка по высоте и 1-го порядка по времени. Это означает, что для каждого уравнения должны быть определены два граничных условия по высоте и начальное условие по времени. На нижней граничной высоте (h =120 км§принимаем следующие ограничения: те = ъ=тп, о.

Верхние граничные условия определяются на высоте 1700 йм. На этой высоте используются соотношения:

Г0+1-ГА/О+1 — 0 ' дТ «д Т'.

L z J~L J~ 5 ?7Г ~ ->/— = 0,5°/км днём и 0°К в ночные dlfc «часы- ~. В качестве верхних граничных условий для 0* и Н+ задаются конкретные величины последних или численные значения их потоков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведен анализ широтной зависимости концентрации ионизированных и нейтральных чаотиц Р области и показано, что ионосфера в геомагнитных широтах 20−40° практически свободна от широтного перераспределения ионизации и ионизации корпускулярной радиации Солнца. Высотно-временные вариации ионизации в этой зоне определяются, в основном, аэрономическими и диффузионно динамическими процессами. По отношению к другим широтным зонам Р области она может быть принята как базовая или переходная зона. Результаты решения ряда методических вопросов и комплексного изучения Р области на переходных широтах сводятся к следующему:

I. Разработан оригинальный способ усовершенствования программы расчета Пе (Ь) — профилей, позволяющий в несколько раз сократить трудоёмкую работу по подготовке и вводу первичных данных. Проанализирована адекватность использованного метода расчёта и показано, что он позволяет проследить за изменениями параметров ионосферы в межслоевых впадинах, получить более точные профили ионизации для нижней части Е области и изучить временные вариации электронной концентрации в особых гелио-геофизических условиях (Солнечные затмения, ионосферная возмущенность и др.).

2. Выявлены основные морфологические закономерности долготных особенностей ионизации 5 области ионосферы. Показано, что долготная особенность наблюдается в течение всего цикла солнечной активности и обусловлена различием соотношений рекамбинационных и диффузионных процеосов. Долготные особенности зависят от уровня геомагнитной возмущенности. Выявлено аномальное уменьшение электронной концентрации над японскими станциями детом в дневное время, что объясняется изменением состава нейтральной атмосферы.

3. На основе большего массива Г^(И)-профилей, полученных в результате обработки ионосферных данных станции «Ашхабад» и экспериментальных результатов «Алуэт-2», построен полный профиль электронной концентрации для различного времени суток и сезона года и гелио-геофизических условий.

В совокупности они составляют эмпирическую модель Р области на переходных широтах,.

4. Построена теоретическая модель Р области ионосферы на переходных широтах. Показано, что а) Использование метода уплотненной записи чисел и компактной схемы Гаусса позволяют существенно ускорить вычислительный процесс в реализации алгоритмов численного решения системы дифференциальных уравнений Р области ионосферы. б) Модель на количественной основе адекватно описывает все морфологические и эмпирические особенности этой специфической области ионосферы.

5. Разработанные эмпирическая и теоретическая модели ионизации и, определяемые на их основе, геометрические и физические параметры ионосферы могут служить основой для более углубленного изучения физики Р области ионосферы и решения практических задач распространения радиоволн на трассах с точкой отражения на переходных широтах.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю заслуженному деятелю науки ТССР, академику, доктору физико-математических наук Овезгельдиеву 0. Г., кандидатам физико-математических наук Беркелиеву М. Б. и Ханбердиеву А. X., чьи ценные советы и оказанная помощь способствовали успешному выполнению работы.