Моделирование ионосферы и термосферы для марта 2013 года в полуэмпирическом и полностью самосогласованном вариантах глобальной модели UAM

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.146-156 УДК 551.510.535+004.942+519.63

А. А. Намгаладзе, С. А. Парфенов, М. А. Князева, О. В. Золотов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНОСФЕРЫ И ТЕРМОСФЕРЫ ДЛЯ МАРТА 2013 ГОДА В ПОЛУЭМПИРИЧЕСКОМ И ПОЛНОСТЬЮ САМОСОГЛАСОВАННОМ ВАРИАНТАХ ГЛОБАЛЬНОЙ МОДЕЛИ UAM

Аннотация

Приводятся результаты численных расчётов параметров ионосферы и термосферы, выполненных с помощью двух версий глобальной модели верхней атмосферы UAM (Upper Atmosphere Model): полуэмпирической UAM-TM и полностью самосогласованной UAM-TT. Выбранный период моделирования (1-9 марта 2013 года) характеризуется тем, что отстоит на 11 лет от исследованного авторами ранее периода (апрель 2002 года). Рассчитанная концентрация электронов на высотах F2-слоя дополнительно сравнивалась с эмпирической моделью IRI-2016. Исследование показало необходимость модификации блока нейтральной атмосферы и нижней ионосферы модели UAM-ТТ на высотах вблизи границы термосферы и мезосферы.

Ключевые слова:

физико-математическое моделирование, ионосфера, термосфера.

A. A. Namgaladze, S. A. Parfenov, M. A. Knyazeva, O. V. Zolotov

MODELING OF THE IONOSPHERE AND THERMOSPHERE FOR MARCH 2013 IN A SEMI-EMPIRICAL AND FULLY SELF-CONSISTENT VERSION OF THE GLOBAL MODEL UAM

Abstract

This article presents the results of numerical calculations of the parameters of the ionosphere and thermosphere, performed using two versions of the global model of the upper atmosphere UAM (Upper Atmosphere Model): a semi-empirical UAM-TM and a fully self-consistent UAM-TT. The selected simulation period (March 1-9, 2013) is characterized by the fact that it is 11 years from the period studied by the authors earlier (April 2002). The calculated electron concentration at the heights of the F2 layer was additionally compared with the empirical model IRI-2016. This study shows the need to modify UAM-TT (block of the neutral atmosphere and the lower ionosphere) at altitudes near the boundary of the thermosphere and mesosphere.

Keywords:

physical and mathematical modeling, ionosphere, thermosphere. Введение

В настоящей работе исследованы вариации параметров ионосферы и термосферы для двух временных отрезков: 15.04.2002-20.04.2002 и 01.03.201309.03.2013. Указанные периоды, отстоящие друг от друга на одиннадцать лет, изучались при помощи глобальной численной модели верхней атмосферы UAM. Выбор первого из данных периодов был обоснован в 2003 году одновременной работой семи установок некогерентного рассеяния, специально включенных для изучения заранее спрогнозированных солнечных и геомагнитных бурь. Этот

период отличался наличием в рамках небольшого срока спокойной (15-16 апреля) и возмущённой (17-20 апреля) геомагнитной обстановки. Исследуемыми величинами в той работе [1] являлись рассчитанные с помощью UAM и измеренные одновременно на разных широтах, долготах и высотах концентрация электронов, ионная и электронная температуры. Были рассчитаны также параметры нейтральной атмосферы (газовый состав, температура и горизонтальные ветры) при помощи эмпирической модели NRLMSISE-00 [2] (далее - МСИС). Результаты сопоставления наблюдавшихся и рассчитанных параметров показали их хорошее согласие и опубликованы ранее [1].

Согласно существующим представлениям, наиболее отчётливо заметной формой солнечной активности является её 11-летняя повторяемость [3]. В соответствии с этим в период, следующий через 11 лет после 2002 года, должно наблюдаться хотя бы качественное соответствие ионосферы, рассчитанной для 2013 года, полученным раннее результатам для 2002 года. Целью данной работы является проверка этого соответствия и выяснение качества модели UAM при воспроизведении вариаций ионосферных и термосферных параметров с солнечной активностью.

1. Используемые данные и методы

Основным используемым в настоящей работе методом является численное моделирование физических процессов. В качестве инструмента выступает глобальная численная модель верхней атмосферы UAM (Upper Atmosphere Model). Эта модель неоднократно использовалась авторами ранее и показала способность воспроизводить трёхмерные вариации параметров ионосферы и термосферы как для спокойных, так и возмущенных условий во всём диапазоне широт и долгот [4-7]. В настоящей работе используются две версии данной модели:

1) UAM-TM, полуэмпирическая версия, в которой параметры нейтральной атмосферы (температура и концентрации компонент) берутся из эмпирической модели термосферы МСИС, а скорости движения вычисляются из уравнения для ветров с градиентами давления, рассчитанными по температуре и концентрациям из МСИС;

2) UAM-TT, полностью самосогласованная версия, в которой температура, состав нейтральной атмосферы и ветры рассчитаны по теоретическим уравнениям непрерывности, движения и теплового баланса.

Способ задания граничных условий соответствует всем предыдущим расчётам с использованием модели UAM. Начальные условия в обоих случаях задаются «нулевыми» (простейшими аппроксимациями). Шаг интегрирования по времени также одинаков и равняется 1 минуте.

Период моделирования (01.03.2013-09.03.2013) был преимущественно геомагнитно-спокойным. Индексы солнечной и геомагнитной активностей F10,7, Kp, AE и Dst для него приведены на рис. 1. Максимальное значение индекса Kp (5,0) наблюдалось 01.03.2013 г. в период времени с 09:00 до 12:00 UT, усреднённое за рассматриваемый период значение составляет 1,6. Минимальное значение индекса Dst за весь рассматриваемый временной отрезок равно -55 нТл, что соответствует слабо-возмущённым условиям. Уровень солнечной активности средний: усреднённое за период значение F10,7 равно 112,4^ 10-22 Вт-м"2Тц-1.

На основе рассчитанных модельных результатов построены глобальные

карты ряда ионосферных и термосферных параметров на фиксированной высоте (294 км), близкой к высоте главного ионосферного максимума, для момента времени 24UT каждого из моделируемых дней. Для сопоставления рассчитанной концентрации электронов использовалась эмпирическая модель ионосферы IRI-2016 (International Reference Ionosphere) [8] (далее - IRI).

F10.7 = 110.6

F10.7 = 109.1

F10.7 = 110.1

Q.4

V з

"ТГГГГгЬт>ггтт1ттт

n-m

1ТттттгТ1т-_г<т4ТТТГТ1тГ 44"lrTT-T>-»-TVwH"vrTTTiT"T"H

~ 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00

V) Г- _cn

о С 50 w -100

00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 01.03.2013 02.03.2013 03.03.2013

F10.7 = 112.4

F10.7 = 112.6

О-4 ^ 3

П-г-гП

п

Г-П

—Пт-

оз 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00

: -so ' -100 -150

00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 04.03.2013 05.03.2013 06.03.2013

F10.7 = 112.1

F10.7 = 114.6

2000 1500 £l000

0 03 06 0 1 1 5 1 2 1 0 0 3 0 6 9 1 2 15 1 8 2 0 0 0 0 9 1 2 1 5 1 8 21 0

г-П

0 0 6 09 12 1 5 1 2 1 00 0 3 0 6 09 1 2 15 1 8 2 1 00 0 3 0 6 09 1 2 1 5 18 2 1 0

0 3 0 09 12 15 1 2 1 0 0 0 3 0 9 12 15 1 8 1 00 0 3 0 09 12 15 1 1 0

Рис. 1. Индексы геомагнитной активности F10,7, Kp, AE и Dst для периода

01.03.2013-09.03.2013 года.

2. Обсуждение и результаты

Характерные результаты моделирования представлены на рис. 2-6 в виде карт в геомагнитной системе координат, на которых пунктирными линиями обозначены географический экватор и положение линии терминатора, кружком -подсолнечная точка.

UAM-TM

Рис. 2. Рассчитанная концентрация электронов (м-3) для моделей UAM-TM, UAM-TT, IRI для момента 24:00UT 01.03.2013.

Рис. 3. Рассчитанная концентрация электронов (м-3) для моделей UAM-TM, UAM-TT, IRI для момента 24:00UT 05.03.2013.

илм-тм

Рис. 4. Рассчитанная концентрация электронов (м-3) для моделей иАМ-ТМ, иАМ-ТТ, Ш для момента 24:00иТ 09.03.2013.

По данным IRI в рассмотренный период 1-9 марта 2013 г. распределение электронной концентрации вблизи максимума F2-области ионосферы практически не меняется. На дневной стороне отчётливо видны гребни экваториальной аномалии. В северном геомагнитном полушарии гребень сильнее выражен, чем в южном.

Качественно обе версии модели UAM воспроизводят структуру и динамику F2-области ионосферы. Абсолютные значения электронной концентрации в результатах расчётов по UAM-TM ближе к значениям эмпирической модели IRI, чем значения по UAM-TT, для которой абсолютные значения электронной концентрации сильно занижены глобально, начиная с 03.03.2013. Это занижение составляет около 5 раз ночью, и 2 раз днём

Широтно-долготные распределения концентраций атомарного кислорода, молекулярных азота и кислорода в единой шкале на высоте 294 км показывают, что по данным МСИС значения незначительно глобально возрастают при переходе от 01.03.2013 к 09.03.2013. Видна асимметрия между геомагнитными полушариями: в южном полушарии значения выше, чем в северном.

Широтно-долготные распределения концентрации атомарного кислорода на высоте 294 км (см. рис. 5) показывают, что по UAM-TT концентрация O к концу первых суток выше значений по МСИС, увеличение продолжается до 03.03.2013, далее падает до значений, меньших, чем по МСИС.

Анализ концентрации молекулярного азота (см. рис. 5) показывает, что для 01.03.2013 распределения концентрации N2 по UAM-TT и МСИС близки друг к другу с незначительным завышением значений в самосогласованном варианте. В версии UAM-TT значения возрастают до 04.03.2013, после этой даты падают до значений существенно меньших, чем по МСИС.

Широтно-долготные распределения концентрации молекулярного кислорода (см. рис. 6) по самосогласованной версии модели UAM-TT показывают, что концентрация значительно завышена по сравнению с данными МСИС. Наибольшее приближение результатов расчетов n(O2) по UAM-TT к МСИС видно в первые сутки (01.03.2013). Далее по 04.03.2013 значения концентрации молекулярного кислорода возрастают, после 04.03.2013 -уменьшаются до значений, близких к данным МСИС.

Возможной причиной качественного расхождения значений электронной концентрации на высотах F2-слоя ионосферы, рассчитанной по моделям UAM-TT и IRI-2016, может являться завышение значений концентрации молекулярного кислорода, так как молекулярный кислород является одним из источников потерь для электронной концентрации в F2-области ионосферы, но обычно его концентрация много ниже концентрации N2. Нарушение этого различия между n(N2) и n(O2) и является, на наш взгляд, главной причиной низких значений электронной концентрации в UAM-TT.

Причинами неточного расчёта концентраций нейтральных составляющих в UAM-TT могут быть: влияние малых нейтральных компонент (например, озона), турбулентный нагрев нейтрального газа, охлаждение нейтрального газа за счёт микроволнового излучения, на данный момент не учитываемые или некорректно учитываемые в модели UAM.

0 NUMBER DENS I TV, m-3

0.000^_0 . 500_0.750_il0 15

МСИС UAM-TT

МСИС UAM-TT

Magnetiс longitude (deg.) Magnetic longitude (deg.ï

Рис. 5. Рассчитанные моделями МСИС и UAM-TT концентрации атомарного кислорода п^) и молекулярного азота п(^) (в м-3) на высоте 294 км для 24:00UT 1 марта, 5 марта и 9 марта 2013 г.

Рис. 6. Рассчитанная моделями МСИС и иАМ-ТТ концентрация молекулярного кислорода п(02) и нейтральная температура Тп (в К) на высоте 294 км для 24:00ИТ 1 марта, 5 марта и 9 марта 2013 г.

Широтно-долготные распределения температуры нейтрального газа (см. рис. 6) показывают заметное отличие результатов модели UAM-TT от данных МСИС для 1 и 5 марта в сторону более высоких температур при существенном сближении результатов для 9 марта. Одновременно с этим на высотах мезопаузы (около 90 км) наблюдается устойчивое падение температуры нейтрального газа, приводящее в конечном счёте к неустойчивости расчётов.

Заключение

В работе приведены результаты исследования поведения параметров ионосферы и термосферы, рассчитываемых в полностью самосогласованной UAM-TT и полуэмпирической UAM-TM версиях глобальной численной модели UAM для равноденственного периода вблизи аномально слабого максимума 24 -го солнечного цикла. Обнаружены несоответствия с аналогичным исследованным ранее периодом 23-го цикла (апрель 2002 года), когда самосогласованная версия модели UAM-TT лучше соответствовала радарным ионосферным наблюдениям, чем UAM-TM. Данное исследование показало необходимость модификации блока нейтральной атмосферы и нижней ионосферы модели UAM в части добавления учёта озона в уравнениях непрерывности для молекулярного и атомарного кислорода и в уравнении теплового баланса для нейтрального газа, а также более корректного описания процессов нагрева и охлаждения в нижней нейтральной атмосфере за счёт турбулентности, поглощения солнечного излучения и микроволнового излучения атмосферы.

Литература

1. Modelling of the ionosphere /thermosphere behaviour during the April 2002 magnetic storms: A comparison of the UAM results with the ISR and NRLMSISE -00 data / A.A. Namgaladze et al. // Advances in Space Research. 2006. 37 (2). P.380-391.

2. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues / M. Picone et al. // Journal of Geophysical Research. 2002. 107 (A12). 1468.

3. Шефов, Н.Н. Излучение верхней атмосферы - индикатор её структуры и динамики / Н.Н. Шефов, А.И. Семенов, В.Ю. Хомич. - М.: ГЕОС, 2006. - 741 с.

4. High-latitude ionosphere during magnetic storms of October 26, 2003-November 1, 2003: Tomographic reconstructions and numerical modeling / I.V. Korableva, A.A Namgaladze, A.N. Namgaladze // Geomagnetism and Aeronomy. 2008. 48 (5). P. 642-651.

5. Numerical modeling of solar wind influences on the dynamics of the high-latitude upper atmosphere / M. Förster, B.E. Prokhorov, A.A. Namgaladze, M. Holschneider // Advances in Radio Science. 2012. 10. P. 299-312.

6. Latitudinal Variations and Altitude Profiles of Ionospheric Parameters: Comparison of Theoretical and Empirical Model Results / M.G. Botova, Yu.V. Romanovskaya, A.A. Namgaladze // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2015. 9(5). P. 764-769.

7. Aerosols and seismo-ionosphere coupling: A review / A.A. Namgaladze, M.I. Karpov, M.A. Knyazeva // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2018. 171. P. 83-93.

8. International Reference Ionosphere 2016: from ionospheric climate to real-time weather predictions: IRI-2016 / D. Bilitza et al. // Space Weather. 2017. 15. P. 418-429.

Сведения об авторах Намгаладзе Александр Андреевич,

д.ф.-м.н., в.н.с., Мурманский арктический государственный университет, Мурманск;

E-mail: namgaladze@yandex.ru Парфенов Сергей Анатольевич,

стажёр-исследователь, Мурманский арктический государственный университет, Мурманск;

E-mail: parfenov.sergey.mstu@mail. ru Князева Мария Александровна,

к.ф.-м.н., с.н.с., Мурманский арктический государственный университет, Мурманск;

E-mail: mariknyazeva@yandex.ru Золотов Олег Владимирович,

к.ф.-м.н., с.н.с., Мурманский арктический государственный университет, Мурманск;

E-mail: zolotovo@gmail.com