Исследование влияния смещения геомагнитных полюсов на термосферу и ионосферу Земли: постановка задачи Аннотация

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.137-145 УДК 537.67 + 533.95 + 004.94

А. А. Намгаладзе, Ю. А. Шаповалова, М. А. Князева

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМЕЩЕНИЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ НА ТЕРМОСФЕРУ И ИОНОСФЕРУ ЗЕМЛИ: ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Аннотация

Определен метод исследования влияния смещений истинных геомагнитных полюсов на термосферу и ионосферу Земли. Предлагаемая к использованию численная глобальная трехмерная нестационарная модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model) удовлетворяет условиям поставленной задачи. В рамках исследования предполагается использование данных Кольской Арктической геофизической инфраструктурной сети Полярного геофизического института (КАГИС ПГИ).

Ключевые слова:

геомагнитное поле, смещение геомагнитных полюсов, термосфера, F2-область ионосферы, математическое моделирование.

А. А. Namgaladze, Yu. A. Shapovalova, M. A. Knyazeva

A STUDY OF THE GEOMAGNETIC POLES DISPLACEMENT INFLUENCE ON THE EARTH'S THERMOSPHERE AND IONOSPHERE: STATEMENT OF PROBLEM

Abstract

The method is defined to study the effect of the geomagnetic poles drift on the Earth's thermosphere and ionosphere. The proposed numerical global three-dimensional time-dependent model of the UAM (Upper Atmosphere Model) satisfies the conditions of this problem. The study assumes the use of data from the Kola Arctic Geophysical Infrastructure Network of the Polar Geophysical Institute (KAGIS PGI).

Keywords:

geomagnetic field, geomagnetic poles displacement, thermosphere, F2-layer of the ionosphere, mathematical modeling.

Введение

Геомагнитное поле, взаимодействуя с плазмой солнечного ветра, замагниченной межпланетным магнитным полем (ММП), формирует магнитосферу Земли, ограниченную магнитопаузой на расстоянии около 10 земных радиусов с дневной стороны. Внутри этой области около Земли располагаются нейтральная атмосфера до высоты примерно 500-1000 км и ионосфера от 50 до 1000 км, плавно переходящая в плазмосферу, ограниченную замкнутыми геомагнитными силовыми линиями. Вокруг геомагнитных полюсов формируются солнечным ветром широтные области открытых силовых магнитных линий - полярных шапок, ограниченные продольными токами зоны 1, замкнутыми с магнитопаузой на дневной стороне, а с экваториальной стороны токами зоны 2, соединяющимися с частицами плазменного слоя (частичным кольцевым током). Схематически картина токов показана на рис. 1 [1]. Продольные (вдоль магнитных силовых линий) токи зоны 1, передают электричество от солнечного ветра вглубь магнитосферы. Они создают в полярной

шапке электрическое поле, направленное с утренней стороны на вечернюю. Продольные токи зоны 2 противоположны по направлению токам зоны 1 и создают электрическое поле, противоположное электрическому полю шапки, т.е. направленное с вечерней стороны на утреннюю. Поэтому это электрическое поле часто называют экранирующим полем или полем поляризации, предохраняющим ионосферы средних и низких широт от проникновения электрического поля шапки, т.е. первичного электрического поля, генерируемого солнечным ветром.

Earth from the nightside

Рис. 1. Глобальное расположение магнитосферных токовых систем северного полушария Земли. Показаны токи зон 1 и 2 (синим - направленные к Земле и красным - от нее), а также ток на магнитопаузе (черный), частичный кольцевой ток (черный штрих) и токи Педерсена (зеленый) [1].

Зона 2 продольных токов близка к зоне высыпаний из магнитосферы энергичных заряженных частиц - электронов и ионов. Высыпающиеся электроны с энергиями порядка единиц кэВ теряют свою энергию в Е-области и часто называются авроральными частицами, их относят к «горячим» частицам. Электроны с меньшими энергиями считаются «холодными» и теряют свою энергию на высотах Б-области. Высыпающиеся частицы вызывают полярные сияния, а область их высыпаний называют авроральной зоной.

Важным свойством силовых линий геомагнитного поля является их замагниченность, т.е. свободное ларморовское вращение заряженных частиц вокруг них под действием силы Лоренца, не ограниченное столкновениями. Другими словами, бесстолкновительная плазма всегда замагничена. Условием замагниченности является превышение гирочастоты ионов над частотой столкновений. Это условие начинает выполняться в П-области ионосферы вблизи высоты 200 км, а выше - только улучшается. Проводимость вдоль геомагнитных силовых линий становится бесконечной, а замагниченные силовые линии геомагнитного поля становятся вмороженными в плазму [2].

Высыпающиеся энергичные заряженные частицы ионизируют и греют атмосферу и ионосферу. Создаваемые ими токи также являются источниками нагрева. Именно эти эффекты ионизации и нагрева в атмосфере и ионосфере, а также эффекты переноса в неоднородной среде (диффузия, ветровое увлечение, конвекция), и являются ионосферно-атмосферными эффектами, интересующими

нас. Они и будут предметом намеченного исследования с точки зрения их зависимости от положения геомагнитных полюсов.

Геомагнитное поле, удерживающее околоземную плазму вблизи Земли, определяет анизотропную проводимость ионосферы в Е-области и скорости электромагнитного (Е *В ) и других дрейфов замагниченной на больших высотах плазмы. Они играют ключевую роль в таких процессах как ионосферно-магнитосферная конвекция, формирование главного ионосферного провала и плазмопаузы, генерация динамо электрических полей и экваториальной аномалии, геомагнитные бури и суббури, полярный ветер.

Геомагнитное поле на поверхности Земли является суммой нескольких полей, имеющих различную природу [3]: а) дипольного поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара; б) недипольного поля, связанного с неоднородностью глубинных слоев Земли; в) аномального поля, обусловленное неоднородной намагниченностью верхних частей земной коры; г) внешнего поля, связанного с внешними причинами; д) поля вариаций от источников, расположенных в ионосфере и магнитосфере Земли. В сумме первые две составляющих образуют главное магнитное поле Земли (ГМПЗ) и составляют ~90% от результирующего поля, последняя составляющая - не более 2% от ГМПЗ [2, 3]. Вдали от магнитных аномалий земной коры, вызванных природной или остаточной намагниченностью горных пород, электрическими токами, текущими в коре или верхней мантии, и другими локальными источниками, а также в области околоземного пространства до высот плазмосферы и внутренней магнитосферы, ГМПЗ является преимущественно дипольным [2, 4].

В упрощенном варианте дипольное геомагнитное поле является геоцентрическим, т.е. ось диполя (геомагнитная ось) проходит через центр Земли. Симметричные точки выхода геомагнитной оси из поверхности Земли называются геомагнитными полюсами. Реальными или истинными геомагнитными полюсами являются точки (точнее небольшие области) на поверхности Земли, в которых силовые линии геомагнитного поля абсолютно вертикальны [2]. Эти точки являются центрами полярных шапок, к ним сходятся вытянутые на ночную сторону геомагнитные силовые линии хвоста магнитосферы.

Наблюдения за истинными геомагнитными полюсами показывают, что они подвижны. Скорости и направления смещения полюсов в южном и северном географических полушариях различны и меняются во времени. Моделирование главного геомагнитного поля на основе магнитных данных немецкого спутника CHAMP в период 2001-2009 гг. показало, что геомагнитный полюс, расположенный в северном географическом полушарии, за это время переместился на 400 км. Причем скорость его движения до 2003 г. росла, достигнув 62,5 км/год, после чего начала уменьшаться и к концу 2009 г. снизилась до 45 км/год. Кроме того, направление движения из северо-северо-западного перешло в северо-западное, т. е. полюс стал немного разворачиваться в сторону Канады. В южном полушарии магнитный полюс двигался в 10 раз медленнее и за этот период переместился на 42 км [5].

Термосферные и ионосферные эффекты наблюдаемого смещения истинных геомагнитных полюсов не изучены. Например, в работе [6] результаты моделирования с помощью глобальной самосогласованной модели CTIM относятся к 2050-му году, что не позволяет проверить их по прошлым и современным данным наблюдений.

В данной работе обсуждается постановка задачи для исследования

влияния смещения истинных геомагнитных полюсов на структуру и динамику термосферы и ионосферы методом математического моделирования с использованием численной глобальной трехмерной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model). Предложенная постановка позволяет верифицировать модельные результаты путем сопоставления с данными спутниковых и наземных наблюдений.

1. Модель верхней атмосферы Земли UAM

Глобальная численная трехмерная модель верхней атмосферы Земли UAM описывает околоземное пространство (мезосферу, термосферу, ионосферу, плазмосферу и внутреннюю магнитосферу) как единую систему в диапазоне высот от 60-80 км (переменная нижняя граница) до геоцентрического расстояния, равного 15Re, где Re - средний радиус Земли [7-11]. Модель рассчитывает трехмерные вариации параметров основных нейтральных (O, O2, N2) и заряженных частиц (O2+ NO+, O+, H+, электроны): концентрации, скорости движения, температуры, а также распределение электрического потенциала и напряженности электрического поля путем численного интегрирования уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для каждого сорта частиц и уравнения для электрического потенциала. Модель UAM учитывает все основные процессы, ответственные за передачу энергии и импульса от Солнца.

Для описания геомагнитного поля в UAM используется геоцентрическое дипольное приближение с осью диполя, не совпадающей с осью вращения Земли. Это приближение употребляется в сфере с геоцентрическим радиусом 15 земных радиусов, соответствующим вершине силовой линии с геомагнитной широтой пересечения с поверхностью Земли 70 градусов. На границе этой сферы силовые линии обрезаются, и давление в этом месте считается нулевым. Тем самым имитируется переход к соплу Лаваля, расширяющемуся в вакуум со сверхзвуковым истечением в него плазмы, что соответствует режиму полярного ветра. В модели используются две системы координат: 1) геомагнитная сферическая для расчетов параметров нейтральной атмосферы, нижней ионосферы, потенциала и напряженности электрического поля; 2) геомагнитная дипольная для расчета параметров F2-области и внутренней магнитосферы. Геомагнитные силовые линии считаются электрически эквипотенциальными, то есть плазма замагничена, на высотах от 175 км. Ниже проводимость плазмы считается анизотропной и удовлетворяющей тензорному закону Ома.

Входными параметрами UAM являются: дата и мировое время начала моделируемого события; спектры солнечного ультрафиолетового и крайнего ультрафиолетового излучений; солнечная активность; потоки высыпающихся из магнитосферы в ионосферу энергичных электронов; продольные токи и/или распределение потенциала электрического поля на границе полярной шапки; индексы магнитной активности.

Граничные условия формулируются из физических предположений или экспериментальных данных. Для формирования начальных условий используются либо данные эмпирических моделей (MSISE для нейтральной атмосферы, IRI для ионосферы), либо для геомагнитно спокойных периодов используются квазистационарные решения уравнений, полученные в ходе многократных прогонов, а для возмущенных периодов - распределения параметров верхней атмосферы после их расчета для предыдущих спокойных суток.

Более подробное описание учитываемых в модели процессов и используемых аппроксимаций и констант представлено в работах [7-11].

Способ задания геомагнитного поля в UAM позволяет совмещать геомагнитные и географические полюса и за счет этого исследовать эффекты несовпадения осей Земли. Например, в работе [12] было показано, что это несовпадение является причиной стратификации (расслоения) главного ионосферного провала из-за вращения геомагнитной оси вокруг географической. Этим же методом было установлено, что несовпадение осей ответственно за формирование аномальной суточной вариации плотности плазмы на высотах F2 -области ионосферы, наблюдаемой над Антарктидой в районе моря Уэдделла (аномалия моря Уэдделла), и аналогичной аномалии в противоположном долготном секторе северного географического полушария [13-15].

Многократные сопоставления результатов моделирования по UAM с данными спутниковых и наземных наблюдений показывает, что модель корректно воспроизводит структуру и динамику термосферы и ионосферы в зависимости от гелиогеофизических условий.

Для воспроизведения с помощью UAM термосферных и ионосферных эффектов смещений истинных геомагнитных полюсов требуется рассмотреть вопрос об имитации этих смещений в модели с учетом, что геомагнитное поле в ней является дипольным и геоцентрическим.

2. Воспроизведение смещений истинных геомагнитных полюсов в модели UAM

Для имитации наблюдаемых смещений истинных геомагнитных полюсов с помощью модели UAM возможны следующие подходы.

а) Виртуальное смещение полюсов.

Положение истинных геомагнитных полюсов определяет положение аврорального овала и зон 1 и 2 втекания/вытекания продольных (вдоль силовых линий геомагнитного поля) токов.

В стандартной версии UAM положение границ овала высыпаний, потоки высыпающихся электронов и координаты максимума интенсивности высыпаний задаются по статистическим моделям [16, 17]. Области втекания в ионосферу и вытекания из нее продольных токов по геомагнитной широте совпадают с положением границ аврорального овала на утренней и вечерней сторонах (06:00 и 18:00 MLT соответственно) [18]. Амплитуда плотности продольных токов зоны 1 (FAC1max) подбираются итерационно до тех пор, пока разность потенциалов поперек полярной шапки не достигнет величины, рассчитанной по методу Веймера [19]. Амплитудные значения плотности продольных токов зоны 2 полагаются равными 0,7FAC1max или 0,5FAC1max.

Не меняя способа задания геомагнитного поля, смещения истинных полюсов можно задать в UAM путем соответствующего им изменения географического положения центра овала высыпаний и зон втекания продольных токов. Причем смещение овала в северном и южном полушариях может быть не симметричным, что будет соответствовать эксцентричному дипольному геомагнитному полю.

Для задания положения аврорального овала и высыпаний электронов можно использовать: 1) данные оптических наблюдений Кольской Арктической геофизической инфраструктурной сети Полярного геофизического института (КАГИС

Ill И); 2) данные спутниковых наблюдений, например, DMSP, как это было сделано в работе [20]; 3) эмпирические модели соответствующих процессов и явлений, например, Auroral Precipitation Model (APM) [21, 22]. Для задания пространственного распределения продольных токов можно использовать эмпирические модели продольных токов, например, Папиташвили [23], MFACE [24].

б) Изменение географических координат геомагнитных полюсов.

Если пренебречь различиями траекторий и скоростей движения истинных геомагнитных полюсов в северном и южном географических полушариях, то их симметричное смещение можно задать путем изменения их географических координат. В этом случае для корректного воспроизведения структуры и динамики термосферы и ионосферы необходимо согласованно смещать овал высыпаний и зоны 1 и 2 продольных токов.

Для задания параметров высыпаний и продольных токов можно, как и в предыдущем случае, использовать данные наземных и спутниковых наблюдений, а также данные соответствующих эмпирических моделей.

в) Переход к эксцентрическому геомагнитному диполю.

Чтобы геомагнитные полюса в северном и южном географических полушариях в модели могли двигаться по разным траекториям и с разными скоростями, необходимо отказаться от геоцентрического диполя и перейти к эксцентрическому. Данный подход является более трудоемким по сравнению с предыдущими двумя, так как требует изменения способов задания координатных сеток и численных схем для решения модельных уравнений UAM.

Как и в предыдущем случае, данный подход требует согласованного изменения положений овала высыпаний и зон 1 и 2 продольных токов.

3. Математическое моделирование эффектов движения полюсов в верхней атмосфере Земли

После того, как в модели UAM географическое положение магнитных полюсов изменено каким-либо из указанных выше способов, их ионосферные и атмосферные эффекты находятся путём проведения численных модельных расчётов глобальных распределений всех параметров верхней атмосферы для новых относительных расположений географической и геомагнитной осей Земли, определённым по архивным записям. Результаты модельных расчётов должны быть сопоставлены с данными наблюдений, соответствующих новым расположениям осей.

Этими данными могут быть оптические наблюдения полярных сияний, данные ионозондов, ионосферной радиотомографии, установок некогерентного рассеяния, полного электронного содержания, измеряемого системами геостационарных спутников, спутниковых измерений вариаций параметров нейтральной атмосферы и т.п. При этом сопоставлении данных модельных расчётов и наблюдений важно учитывать, что различия между ними должны быть связаны только со взаимным расположением географической и геомагнитной осей, а все остальные параметры должны быть одинаковыми или отличаться не сильно.

Только в этом случае можно надеяться на выявление эффектов перемещения магнитных полюсов в глобальных вариациях параметров атмосферы и ионосферы.

Заключение

В работе предложена постановка задачи исследования методом математического моделирования влияния смещений истинных геомагнитных полюсов на термосферу и ионосферу Земли. Предлагаемая к использованию численная глобальная трехмерная нестационарная модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model) удовлетворяет условиям данной задачи: в ней учтены все основные процессы и явления, ответственные за структуру и динамику термосферы и ионосферы.

Для описания в модели наблюдаемого смещения истинных геомагнитных полюсов предложены три подхода: а) виртуальное смещение полюсов; б) изменение географических координат геомагнитных полюсов; в) переход в модели геоцентрического к эксцентрическому геомагнитному диполю. Для реализации всех этих подходов необходимо использование в качестве входных параметров модели эмпирических данных о положениях аврорального овала и продольных токов зон 1 и 2.

Литература

1. Carter J. A., Milan S. E., Coxon J. C., Walach M.-T., and Anderson B. J. Average field-aligned current configuration parameterized by solar wind conditions, J. Geophys. Res. Space Physics. 2016. 121. Р.1294-1307

2. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.

3. Заболотная Н. А. Индексы геомагнитной активности. Справочное пособие. М.: URSS, 2007.

4. Дьяченко А. И. Магнитные полюса Земли. М.: Издательство Московского центра непрерывного математического образования, 2003.

5. Зверева Т. И. Движение магнитных полюсов земли в последнем десятилетии // Геомагнетизм и Аэрономия. 2012. Т. 52(2). С. 278-286.

6. Ляхов А. Н., Зецер Ю. И., Фуллер-Роуелл Т. Возможные последствия смещения магнитных полюсов для структуры и динамики верхней атмосферы Земли // Доклады академии наук. 2006. Т. 409(3). С. 1-3.

7. Namgaladze A. A., Korenkov Yu. N., Klimenko V. V., Karpov I. V., Bessarab F. S., Surotkin V. A., Glushchenko T. A., Naumova N. M. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system // Pure and Applied Geophysics. 1988. V. 127(2/3). P. 219-254.

8. Namgaladze A. A., Korenkov Yu. N., Klimenko V. V., Karpov I. V., Surotkin V. A., Naumova N. M. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1991. V. 53(11/12). P. 1113-1124.

9. Namgaladze A. A., Martynenko O. V., Namgaladze A. N. Global model of the upper atmosphere with variable latitudinal integration step // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy. 1998a. V. 1(1). P. 53-58.

10. Namgaladze A. A., Martynenko O. V., Volkov M. A., Namgaladze A. N., Yurik R. Yu. High-latitude version of the global numerical model of the Earth's upper atmosphere // Proceedings of the MSTU. 1998b. V. 1(2). P. 23-84.

11. Namgaladze A. A., Knyazeva M. A., Karpov M. I., Zolotov O. V., Martynenko O.V., Yurik R. Yu., Foster M., Prokhorov B. E. / The Global Numerical Model of the Earth's Upper Atmosphere. Numerical Simulations in Engineering and Science. 2018.

12. Shapovalova Yu. A., Namgaladze A. A., Namgaladze A. N., Khudukon B. Z. Stratification of the main ionospheric trough as an effect of the noncoincidence of the Earth's geomagnetic and geographic axes // Proceedings of the XXVI Annual Apatity Seminar "Physics of Auroral Phenomena". 2003. Preprint PGI. P.87-90.

13. Knyazeva M. A., Romanovskaya Yu. V., Namgaladze A. A. Numerical modeling of the electron density enhancements in the nighttime ionospheric F2-layer // Proceedings of the MSTU. 2012. V. 15(3). P.604-617.

14. Knyazeva M. A., Zubova Yu. V., Namgaladze A. A. Weddell Sea Anomaly: investigation using the global numerical model // Proceedings of the XXX General Assembly of URSI. 2011. Istanbul, Turkey. C. 6050995, GP1.59.

15. Zubova Yu. V., Knyazeva M. A., Namgaladze A. A. Longitudinal variations of the electron density enhancements in the summer night-time ionospheric F2-layer: numerical modeling // Physics of Auroral Phenomena. Proc. XXXIV Annual Seminar. 2011. Apatity. Kola Science Centre. Russian Academy of Science. P. 143-146.

16. Fuller-Rowell T. J., Evans D. S. Height-integrated Pedersen and Hall conductivity patterns inferred from the Tiros-NOAA satellite data // Journal of Geophysical Research. 1987. V. 92(7). P. 7606-7618.

17. Hardy D. A., Gussenhoven M. S, Holeman E. A statistical model of auroral electron precipitation // Journal of Geophysical Research. 1985. V.90. P. 4229-4248.

18. Iijima T., Potemra T. A. The amplitude distribution of field-aligned currents at northern high latitudes observed by Triad // Journal of Geophysical Research. 1976. V. 81. P. 2165-2174.

19. Weimer D. R., Maynard N. C., Burke W. J., Liebrecht C. Polar cap potentials and the auroral electrojet indicies // Planetary and Space Science. 1990. V. 38(9). P. 1207-1222.

20. Namgaladze A. A., Zubova Yu. V., Namgaladze A. N., Martynenko O. V., Doronina E.N., Goncharenko L.P., et al. 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 // Advances in Space Research. 2006. V. 37(2). P. 380-391.

21. Vorobjev V. G., Yagodkina O. I. Effect of magnetic activity on the global distribution of auroral precipitation zone // Geomagnetism and Aeronomy. 2005. V. 45(4). P. 438-444.

22. Vorobjev V.G., Yagodkina O.I. Auroral precipitation dynamics during strong magnetic storms // Geomagnetism and Aeronomy. 2007. V. 47(2). P. 185-192.

23. Papitashvili V. O., Christiansen F., Neubert T. A new model of field-aligned currents derived from high-precision satellite magnetic field data // Geophysical Research Letters. 2002. V. 29(14). P. 1683.

24. He M., Vogt J., Luehr H., Sorbalo E., Blagau A., Le G., Lu G. A high-resolution model of field-aligned currents through empirical orthogonal functions analysis (MFACE) // Geophysical Research Letters. 2012. V. 39. L18105.

Сведения об авторах Намгаладзе Александр Андреевич,

в.н.с., ФГБОУ ВО «Мурманский арктический государственный университет», Мурманск

E-mail: namgaladze@yandex.ru

Шаповалова Юлия Александровна,

м.н.с., Полярный геофизический институт, Мурманск E-mail: yulia@pgi.ru

Князева Мария Александровна,

с.н.с., ФГБОУ ВО «Мурманский арктический государственный университет», Мурманск

E-mail: mariknyazeva@yandex.ru