Построение и коррекция схемы ионизационно-рекомбинационного цикла для расчета параметров нижней ионосферы в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек

Построение и коррекция схемы ионизационно-рекомбинационного цикла для расчета параметров нижней ионосферы в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек

Конкурс РНФ 2021 года:

«Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Проект № 21-77-00071

«Построение и коррекция схемы ионизационно-рекомбинационного цикла для расчета параметров нижней ионосферы в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек»

Сроки выполнения проекта

2021-2023

Отрасль знаний

Науки о Земле

Руководитель проекта

к.ф.-м.н. Беккер Сусанна Зейтуллаевна

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

3 млн. рублей

Аннотация

Настоящий проект посвящен моделированию нижней ионосферы в спокойных условиях и во время солнечных рентгеновских вспышек. В основу моделирования положены схемы ионизационно-рекомбинационного цикла D-области ионосферы (h ~ 60–90 км), описывающие поведение различного количества компонент, и модель ионизации среды, базирующаяся на реальных данных потока солнечного излучения, измеренных спутниками GOES и SDO в каналах 0.05–0.4 нм, 0.1–0.8 нм, 0.1–7 нм.

Актуальность данной работы заключается в том, что накопленный существенный объем теоретических оценок и экспериментальных данных о протекающих в ионосферной плазме процессах и о пространственно-временном распределении концентраций ее составляющих все еще не позволяет сделать более менее точный прогноз поведения параметров ионосферы, особенно в условиях различных возмущений среды. При этом нижняя часть ионосферы до сих пор остается наименее изученной. Получение экспериментальных данных параметров D-области ионосферы крайне затруднено, и оно возможно весьма ограниченными средствами – установками частичного отражения и некогерентного рассеяния, геофизическими ракетами и по данным распространения СДВ–ДВ. Существенный рост рентгеновского ионизирующего излучения во время солнечных вспышек приводит к значительным вариациям электронной концентрации в нижней ионосфере. Эти вариации принципиально искажают амплитудно-фазовые характеристики сигналов СДВ диапазона, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера, верхней границей которого является D-область. Это позволяет использовать измерения амплитуды и фазы радиоволн СДВ диапазона как для исследования состояния нижней ионосферы, так и в качестве инструмента верификации построенных моделей среды

при поддержке

Цель данного исследования – построение и коррекция оптимальной схемы ионизационно-рекомбинационного цикла, позволяющей оперативно и достаточно точно оценить отклик параметров нижней ионосферы на рентгеновские вспышки различной мощности. Уникальность и принципиальная новизна данного исследования заключаются в использовании в качестве основного инструмента коррекции моделей – данных наземных радиофизических измерений. Подобная верификация по радиофизическим данным позволяет определить необходимый набор фотохимических реакций для корректного описания динамики нижней ионосферы, скорректировать значения неизвестных на сегодняшний день констант скоростей реакций, а также получить независимую оценку прогностическим возможностям построенных моделей. Для решения задачи будут использованы данные геофизической обсерватории (ГФО) Михнево (55° N 38° E), где с 2014 года ведется непрерывный мониторинг амплитудно-фазовых характеристик электромагнитных сигналов от СДВ передатчиков, расположенных по всему миру. Список литературы приведен в прикрепленном файле.

при поддержке

статистическая обработка многолетних экспериментальных данных высотных профилей температуры и концентрации нейтральных составляющих D-области ионосферы, полученных на спутниках AURA и TIMED;

расчет скорости ионизации нижней ионосферы с использованием реальных потоков солнечного излучения со спутников GOES и SDO в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек C-, M-, X-класса (вспышки выбираются таким образом, чтобы во время них европейские СДВ трассы были полностью освещены);

численное решение 3-х компонентной, 5-ти компонентной и 8-компонентной систем дифференциальных уравнений ионизационно-рекомбинационного цикла, учитывающих различное количество фотохимических процессов, протекающих в D-области ионосферы, методом Рунге-Кутта (в качестве входных параметров используются полученные высотные профили скорости ионизации и параметров средней атмосферы);

расчет распространения радиоволны СДВ диапазона на шести европейских разнонаправленных трассах с использованием полученных профилей концентрации электронов (расчет распространения СДВ радиоволн проводится с помощью программы LWPC методом нормальных волн);

обработка экспериментальных данных амплитудно-фазовых характеристик сигналов СДВ-диапазона, полученных в геофизической обсерватории Михнево от шести среднеширотных передатчиков в спокойных условиях и во время выбранных вспышек;

верификация временного хода амплитуды радиоволны, рассчитанного с помощью различных схем ионизационно-рекомбинационного цикла, по экспериментальным радиофизическим данным ГФО Михнево в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек;

корреляционный анализ теоретического и экспериментального хода амплитуды радиоволны во время рентгеновских вспышек C-, M-, X-класса, оценка вклада учета большего количества компонент в точность расчета концентрации электронов (по результатам количественной верификации).

при поддержке

В 2021–2022 году был обработан большой объем спутниковых и наземных экспериментальных данных, проведены численные расчеты по моделированию плазмохимии нижней ионосферы с использованием различных схем ионизационно-рекомбинационного цикла.

Для того чтобы минимизировать ошибки в определении параметров нейтральной атмосферы, была проведена статистическая обработка многолетних спутниковых данных температуры и концентрации нейтральных составляющих, полученных спутниками AURA и TIMED. Были проанализированы суточная, сезонная, широтная, долготная зависимости спутниковых данных температуры T, концентраций N2, O2, H2O, O3 и CO2, а также зависимость от солнечной активности. Такой анализ позволил определить оптимальные диапазоны усреднения экспериментальных величин. Для отобранных рентгеновских вспышек различного класса с учетом различных гелиогеофизических условий были получены медианные профили температуры и концентраций нейтральных составляющих нижней ионосферы, которые являются входными параметрами плазмохимических моделей.

Скорость ионизации является ключевым параметром плазмохимических моделей нижней ионосферы, к колебаниям которого концентрация электронов наиболее чувствительна. Для расчета скорости ионизации q были рассмотрены основные источники ионизации освещенной D-области: рентгеновское излучение Солнца, ионизация основных нейтральных составляющих космическими лучами, ионизация молекул NO и O2 в ультрафиолетовом диапазоне. В результате учета вышеперечисленных источников ионизации D-области была рассчитана динамика суммарного профиля скорости ионизации с учетом реальных потоков солнечного излучения во время 2 дней спокойного Солнца и во время 12 рентгеновских вспышек различного класса, произошедших в 2013 и 2014 году.

Для различных гелиогеофизических условий были решены три системы дифференциальных уравнений, которые построены на четырех-, пяти- и восьмикомпонентной схемах ионизационно-рекомбинационного цикла. В основу четырехкомпонентной схемы ионизационно-рекомбинационного цикла легла модель GPI. Она описывает динамику концентрации электронов Ne, отрицательных ионов O2–, положительных ионов NO+ и кластерных положительных ионов XY1+. Модель учитывает прилипание электронов в тройных соударениях, фотоотлипание от отрицательных ионов O2–, преобразование положительных ионов NO+ в кластерные ионы XY1+, диссоциативную рекомбинацию положительных ионов с электронами и ион-ионную рекомбинацию.

Пятикомпонентная схема ионизационно-рекомбинационного цикла основана на работе, в отличие от четырехкомпонентной она дополнительно включает в рассмотрение динамику отрицательных кластерных ионов XY1–, образующихся из ионов O2–.

За основу восьмикомпонентная схемы ионизационно-рекомбинационного цикла взята работа. В этой схеме первичным положительным ионом является O2+, из которого образуется ион NO+, при этом в расчете использовалось не суммарное значение скорости ионизации от всех источников, как в четырех- и пятикомпонентной схемах, а реализован отдельный учет ионизации молекул O2, NO.

Расчет динамики высотного профиля концентрации электронов был произведен для двух серий рентгеновских вспышек, произошедших 24-25 октября 2013 года и 9–11 июня 2014 года, и двух дней спокойного Солнца, предшествующих этим вспышкам. Все три плазмохимические модели решались с одинаковым набором входных параметров (скорость ионизации, температура и концентрация нейтральных составляющих, константы скоростей реакций) методом Рунге-Кутта 2–3го порядка. Для верификации построенных плазмохимических моделей и определения набора фотохимических реакций, с помощью которого может быть корректно воспроизведено состояние параметров нижней ионосферы в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек, были использованы данные амплитуды и фазы СДВ-сигналов, принятых в ГФО Михнево (55° N 38° E) от шести европейских передатчиков GBZ, GQD, ICV, DHO, TBB, FTA, расположенных в средних широтах. Протяженность трасс составила от 1960 до 2580 км

Расчет амплитуды и фазы сигнала осуществлялся с использованием программы LWPC, которая позволяет рассчитать распространение сигналов СДВ-диапазона в волноводе Земля–ионосфера. Три построенных системы дифференциальных уравнений решались с равномерным шагом по трассам, который составил примерно ~ 150 км.

По результатам верификации у четырех- и пятикомпонентной моделей были обнаружены заниженные скорости релаксации после произошедших рентгеновских вспышек, что привело к тому, что при моделировании нескольких вспышек каждая последующая описывается хуже предыдущей. Восьмикомпонентная модель воспроизвела качественный ход экспериментальных кривых почти на всех рассмотренных трассах даже во время вспышек X-класса. При этом на трассах FTA–Михнево и GQD–Михнево впервые было получено корректное количественное воспроизведение экспериментальных значений не только амплитуды, но и фазы сигнала.

По результатам верификации сделан вывод, что восьмикомпонентная модель обладает наилучшими прогностическими способностями при описании отклика параметров нижней ионосферы на рентгеновские вспышки различной мощности. Поэтому она будет взята за основу при решении задач второго года работы над проектом.

В 2022–2023 году был проведен анализ связей между входными параметрами и решениями выбранной схемы ионизационно-рекомбинационного цикла, проведены численные расчеты концентраций ионов и электронов для различных значений входных параметров, уточнены некоторые константы скоростей реакций путем верификации результатов модели по данным наземных радиофизических измерений.

Для определения наиболее значимых констант скоростей реакций, входящих в плазмохимическую модель, был оценен вклад различных фотохимических процессов в значения концентрации электронов на различных высотах. Таким образом были отобраны 14 скоростей и констант скоростей реакций, играющих наиболее важное значение на рассматриваемых высотах. Такой анализ позволил оптимизировать поиск и анализ значений входных параметров по различным источникам. Оказалось, что значения некоторых констант отличаются в различных источниках на 1–2 порядка (например, константа скорости прилипания в тройных соударениях), что естественно приводит к существенным ошибкам в расчете параметров нижней ионосферы. В то же время значения ряда других констант оказались определены однозначно. Из чего был сделан вывод, что, несмотря на большой вклад в величину концентрации электронов Ne, они не приведут к росту ошибок.

Для того чтобы определить какие из отобранных констант скоростей реакций оказывают наибольшее влияние на точность расчета Ne, была проведена оценка относительного изменения концентрации электронов при последовательном варьировании параметров. Было получено, что неточность задания некоторых входных параметров приводит к изменению концентрации электронов более чем в 2 раза, что говорит о существенном влиянии выбора их значений.

Расчеты показали, что в диапазоне высот 50–75 км к существенным изменениям концентрации электронов приводит варьирование скорости фотоотлипания от отрицательных ионов, скоростей преобразования отрицательных ионов и константы скорости прилипания в тройных соударениях. В верхней части D-области наибольшие отклонения достигаются при варьировании константы скорости диссоциативной рекомбинации и скорости преобразования положительных ионов.

Для уточнения значений отобранных констант скоростей реакций их значения варьировались, и при каждой комбинации параметров решалась система уравнений ионизационно-рекомбинационного цикла нижней ионосферы во время вспышек различного класса. Полученные результаты верифицировались по экспериментальным радиофизическим данным непрерывного мониторинга сигналов СДВ-диапазона, принимаемых в ГФО Михнево от европейских среднеширотных передатчиков. Для каждого набора отобранных констант скоростей были рассчитаны суточные вариации амплитудно-фазовых характеристик сигналов, полученных от шести СДВ-передатчиков в течение 10 и 11 июня 2014 года, когда произошло 7 рентгеновских вспышек различной мощности. Полученные временные вариации амплитудно-фазовых характеристик сигнала сравнивались качественно и количественно с реальными экспериментальными измерениями приемника в ГФО “Михнево”.

Анализ полученных результатов верификации (с использованием численного критерия согласия кривых - среднеквадратической ошибки RMSE) позволил определить наиболее корректные значения исследуемых констант скоростей реакций: константы скорости прилипания в тройных соударениях, скорости фотоотлипания от кластерных ионов и скорости преобразования отрицательных ионов. Таким образом, исходная плазмохимическая модель была скорректирована и с новыми значениями входных параметров обладает существенно более высокими прогностическими характеристиками при моделировании нижней ионосферы в спокойных условиях и во время солнечных вспышек.

Публикации :

при поддержке

По любым вопросам можно связаться с

Беккер Сусанной Зейтуллаевной
bekker@idg.ras.ru

Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1,
лаборатория Электродинамических процессов в геофизике

при поддержке