Исследование вариаций электронной концентрации в F-слое полярной ионосферы, обусловленные сменой знака by-компоненты межпланетного магнитного поля

Исследование вариаций электронной концентрации в Р- слое полярной ионосферы, обусловленных сменой знака Ву - компоненты межпланетного магнитного поля

Т.Н. Ларина1, Г.М. Глебова .2

Донской государственный технический университет1,

Южный федеральный университет2

Аннотация: Проведено исследование динамики крупномасштабных структур полярной области Б-2, обусловленных сменой знака Ву-компоненты межпланетного магнитного поля. Показано, что одной из причин нестационарных вариаций структуры ионосферы в полярных шапках могут служить быстрые вариации Ву-компоненты ММП. Время переброски языка ионизации с утра на вечер составляет 3*103с. Этот процесс сопровождается расслоением языка ионизации и образованием крупномасштабных пятен ионизации, распадающихся с течением времени.

Ключевые слова: полярная ионосфера, конвекция, электронная концентрация, межпланетное магнитное поле, гелиогеофизические условия, ионосферные возмущения, полярная шапка, Ву - компонента ММП, Б-слой.

Решение основных проблем радиосвязи и радионавигации связано с необходимостью изучения структуры полярной ионосферы в различных гелиогеофизических условиях в рамках одной глобальной модели. Для этого необходимы достоверные модели нейтральной атмосферы, электрических и магнитных полей, а также знание температурного режима как нейтральной, так и ионизованной, составляющих [1, 2]. К настоящему моменту существует ряд моделей полярной ионосферы, используемых в качестве исследовательского и прогностического аппарата Б-области ионосферы [3, 4 и др.].

Целью настоящих исследований является попытка оценить эффекты нестационарного перераспределения ионизации в Б-слое ионосферы внутри полярных шапок, обусловленные сменой знака Ву-компоненты ММП и связанной с ней конвекцией.

и

Результаты настоящих исследований, являются продолжением более ранних работ [5-9], где процессы моделирования крупномасштабных структур полярной ионосферы рассматривались в приближении стационарной конвекции. В работе [9] было показано, что быстрые глобальные вариации концентрации в полярных шапках взаимосвязаны с вариациями знака Ву-компоненты ММП. В этой модели для условий полярной ионосферы методом Лагранжа решалось конвективно-диффузионное уравнение непрерывности для иона [О+] вида:

^Г + & = Ъ Ъ&ЪК

где: ¿Уг - концентрация ионов [0+]; скорость конвективного переноса плазмы, поперечная к геомагнитному полю; У^- продольная по отношению к геомагнитному полю скорость диффузии ионов; q, - скорость образования ионов [0+]; - скорость рекомбинации ионов [0+].

Различие в пространственных распределениях электронной концентрации в условиях стационарной конвекции обусловлено изменением знака Ву-компоненты ММП и связанным с ней изменением направления вращения ДРУ вихря конвекции, сосредоточенного внутри полярной шапки. Поэтому при Ву >0 плазма из освещенной Солнцем области, переносилась в утренний сектор, а при Ву<0 в вечерний. В результате такого переноса в этих секторах формировался язык ионизации, имеющий ассиметрию относительно линии полдень-полночь.

В данной работе рассматривается временная картина переброски ионизации с одной стороны полярной шапки на другую при смене знака Ву ММП. Для этого решается следующая нестационарная задача. В начальный момент времени 1=0 ионосфера находится в стационарном состоянии при

и

положительном значении Ву ММП. Конвекция, соответствующая начальному состоянию аналогична конвекции в работе [9]. Она состоит из двухвихревой конвекции типа ДР2 и асимметричного вихря ДРУ рис.1 а.

Рис. 1. - Структуры конвекции с учетом коротации при различных знаках

Ву-компоненты ММП. Аналитически потенциал моды ДР2 Фр выражается в виде:

где: 8 - коширота, Л - азимутальный угол с отсчетом от полуночного меридиана, - полярная и экваториальная граница аврорального овала.

Потенциал асимметричного вихря Фс, определяемый Ву-компонентой ММП и сосредоточенный внутри полярной шапки с фокусом на полуденном меридиане при 9 — , имеет вид:

В расчетах используется модель функции ионообразования высыпающимися частицами, структура которой представлена в [8,9], кроме того не учитывается смещение геомагнитного полюса относительно географического в зависимости от времени ЦТ.

На следующем этапе Ву - компонента ММП скачкообразно меняет свой знак, становясь отрицательной. Структура конвекции, соответствующая этому изменению, представлена на рис. 1б. Метод моделирования нестационарных распределений электронной концентрации, используемый нами, изложен в работах [4, 10, 11]. Он состоит из двух этапов. На первом этапе определяется начальная пространственная старт-точка и соответствующее ей стационарное распределение электронной концентрации. Для этого уравнения движения интегрируются «назад» с отрицательным шагом по времени (&< 0) от рассматриваемой точки в течение времени На

втором этапе уравнение непрерывности (1) интегрируется «вперед» (с1Г> 0) с

восстановлением нужного направления скорости конвекции до рассматриваемого момента времени I. В результате этого определяется искомый профиль концентрации. Расчеты, проводились для северной полярной шапки при следующих значениях параметров: 1]р= 40 кВ, Оя =

(—зщп кВ, ва =25°, Йр =15°, Вс =10°. Это соответствует умеренному

уровню возмущенности. Гелиогеофизические условия, для которых проводились расчеты распределений электронной концентрации, соответствуют зимним условиям, 5 = -22°, с температурой экзосферы

=1000 К. Применяются верхние граничные условия типа «полярного

ветра», для которых концентрация атомов водорода на высоте 500 км [п]=2.7 *104 см-3. В модели учитываются как солнечное УФ-

и

излучение, так и достаточно слабое ионообразование, создаваемое высыпающимися электронами.

На рис. 2а-ж показана динамика пространственных структур ионосферной плазмы в полярной шапке на высоте h=300 км в различные промежутки времени при скачкообразном изменении знака Ву-ММП, соответствующее изменению системы конвекции со структуры на рис.1 а на структуру, представленную на рис.1 б вдоль меридиана (06й - 18й МЬТ). Стационарное распределение электронной концентрации, в начальный момент времени представлено на рис. 2а и для приблизительно таких же условий в работе [9]. Конечное стационарное распределение плазмы, соответствующее Ву ММП< 0 изображено на рисунке 2ж и в работе [9]. После скачкообразного

изменения конвекции распределение электронной плазмы начинает довольно быстро меняться. Через 25-30 минут на вечерней стороне меридиана (06й -18й МЬТ) около края полярной шапки формируется пик электронной концентрации, который далее увеличивается и расширяется (рис. 2 г-ж). Это соответствует обычной переброске языка ионизации с утренней стороны полярной шапки на вечернюю. Через 90 минут после смены знака Ву-компоненты ММП распределение электронной концентрации на меридиане (06й -18й МЬТ) в вечернем секторе ионосферы близко к конечному стационарному состоянию.

Рис. 2 а-ж. Структура ионосферы на высоте 300 км в начальном состоянии (а). через 15 минут (б) и 25 минут (в) через 45 минут (г), 60 минут(д), 90 минут (е) и в установившемся режиме (ж) после смены знака Ву-компоненты ММП.

На утренней стороне в области, где в конечном стационарном состоянии сформируется широкая утренняя полость, значения электронной концентрации существенно отличаются от стационарных. Это объясняется тем, что изменение электронной концентрации на вечерней стороне шапки происходит быстро, так как, в основном, определяется быстрым конвективным переносом плазмы, а полость на утренней стороне шапки определяется более медленным рекомбинационным распадом «старого» языка ионизации. В результате временами возможно существование двух языков ионизации. Процесс распада старого языка ионизации приводит к появлению через 25 минут после смены структуры конвекции среднемасштабных островков повышенной ионизации т.е. к существованию пятен ионизации на перемычке между старым и новым языками в течение 60 минут после смены знака Ву-компоненты ММП. Сама же перемычка ионизации между языками становится тоньше и сдвигаясь к полюсу с течением времени распадается. Более детально картина нестационарной перестройки ионизации в полярной

и

шапке отражена на рисунках 3, где представлены горизонтальные сечения ионосферы на высоте И=300 км для рассматриваемых выше случаев. Эти рисунки демонстрируют переходные распределения электронной концентрации в полярном Б-слое в течение первых 90 минут после смены знака Ву-компоненты ММП.

Рис. 3а-з. Сечение ионосферы на высоте h=300км вдоль меридиана утро-вечер (06h - 18h MLT) через различные интервалы времени после смены знака By

ММП c «+» на «-». Следует отметить что экспериментальные наблюдения F-слоя ионосферы в ночной полярной шапке в Туле (Гренландия), полученные при зондировании ионосферы с помощью цифрового ионозонда и наземные оптические измерения [12] показывают наличие крупномасштабных (800-1000 км) плазменных пятен, которые движутся в антисолнечном направлении в периоды умеренных возмущений. Одновременные измерения при помощи спутника Dynamics Explorer показывают, что эти пятна c наибольшей концентрацией [n]=106 см-3 нельзя объяснить локальным внедрением частиц, так как по cпутниковым измерениям внедрение частиц по всей полярной шапке однородно. Пятна образуются вблизи или на экваториальной стороне дневной авроральной зоны и конвектируют в направлении от солнца через полярную шапку. Результаты численного моделирования нестационарной перестройки полярной F-области ионосферы на высоте 300 км в двумерном приближении и без учета ионизации высыпающимися частицами,

и

представленные в [11], демонстрируют, в общем, аналогичные результаты. Поэтому можно предположить, что одной из причин появления пятен ионизации может быть (при достаточно слабом уровне ионизации высыпающимися частицами) нестационарная перестройка ионосферы, обусловленная изменениями Ву-компоненты ММП.

Еще одной особенностью динамики картины пространственных распределений электронной концентрации в F-слое при смене знака Ву-компоненты ММП является динамика утренней и вечерней полостей. Такие распределения могут наблюдаться при очень слабой ионизации высыпающимися энергичными частицами. Движение утреней и вечерней полостей приводит к тому, что через 45 минут после смены системы

5 3 3

конвекции концентрация в районе полярной шапки падает от 2*10 см до 10 см , а через 60-90 минут после смены конвекции в полярной шапке вдоль меридиана полдень-полночь наблюдается двухполостная структура, разделенная узкой перемычкой повышенных значений электронной концентрации. Сами полости также неоднородны. Далее старый язык ионизации и его перемычка с новым языком ионизации распадаются, а полости сливаются в одну большую утреннюю дыру ионизации.

Очевидно, что переходные состояния ионизации F-области ионосферы значительно отличаются от стационарных, поэтому при прогнозировании распределений электронной концентрации в течение первых 2-х часов после смены знака Ву - компоненты ММП необходимо использовать нестационарный подход.

Литература

1. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Кривошеев Н.В., Ларина Т.Н., Резников А.Е. Результаты расчета высотного профиля температуры электронов в области Е ионосферы Земли // Инженерный вестник Дона, 2017, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3 y2017/4370/.

2. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Кривошеев Н.В., Ларина Т.Н., Музыка Т.Н., Резников А.Е. Температура электронов в спорадическом слое E ионосферы Земли// Инженерный вестник Дона 2018, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4701/.

3. Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В., Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Суроткин В.А., Глущенко Т.А., Наумова Н.М. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли// Геомагнетизм и аэрономия. 1990.30, №4, С.612-619.

4. Уваров В.М., Лукьянова Р.Ю. Моделирование высокоширотной ионосферы с учетом влияния параметров межпланетной среды// Гелиогеофизические исследования. 2014. вып.7. С.108-118.

5. Можаев А.М. О моделировании влияния магнитосферной конвекции на пространственную структуру ионосферы высоких широт//В сб. Динамика и моделирование ионосферных возмущений. 1978. М.: Наука. С.97-102.

6. Watkins B.J. A numerical computer investigation of the polar F-region ionosphere. Planet. Space Sci. 1978. 26, №6, pp. 559-569.

7. Sojka J.J., Raitt W.J., Shunk R.W. Plasma density featyre associated with strong convection in the winter high-latitude F-region. J.Geophys.Res. 1981. 86, №8,

pp. 6968-6976.

8. Ларина Т.Н., Максимова Н.М., Можаев А.М., Чернышева С.П. Математическая модель одноионной конвектирующей полярной ионосферы// Phys. Solariterr. Potsdam. 1982. №18, С.47-70.

9. Гальперин Ю.И., Зосимова А.Г., Ларина Т.Н., Можаев А.М., Осипов Н.К., Пономарев Ю.Н. Изменения в структуре F-слоя полярной ионосферы при смене знака Y-компоненты межпланетного магнитного поля. Эффект Свальгарда-Мансурова в ионосфере // Космические исследования. 1980. 18, №6, С.877-898.

10. Ларина Т.Н. Можаев А.М., Пономарев Ю.Н., Власков Г.А. О моделировании нестационарно-конвектирующего F-слоя полярной ионосферы. Динамика ионосферного провала в предварительную фазу суббури // Препринт ИКИ АН СССР. 1986. №1132,26с.

11. Власков, Г. А. Типовые возмущения и флуктуации магнитосферной конвекции и их влияние на характер глобального распределения электронной концентрации в F-области полярной ионосферы // Дис. канд. физ.-мат. наук. 1991. М: ИЗМИРАН. 123 с.

12. Weber E.J., Burchan J., Moore J.G., Sharber J.R. < Livington R.C., Winingham J.D., Reinisch B.W. F-layer ionization patches in the polar cap. J. Gophys. Res. 1984. A89, №3, pp. 1683-1694.

References

1. Volkomirskaya L.B., Gulevich O.A., Krivosheev N.V., Larina T.N., Reznikov A.E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3 y2017/4370/.

2. Volkomirskaya L.B., Gulevich O.A., Krivosheev N.V., Larina T.N., Reznikov A.E. Inzenernyj vestnik Dona 2018, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4701/.

3. Namgaladze A.A., Koren'kov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushhenko T.A., Naumova N.M. Geomagnetizm i ae'ronomiya. 1990.30, №4, pp.612-619.

4. Uvarov V.M., Lukyanova R.Yu. Geliogeofizicheskie issledovaniya. 2014. vyp.7. pp.108-118.

5. Mozhaev A.M. V sb. Dinamika i modelirovanie ionosferny'x vozmushhenij. 1978. M.: Nauka. pp. 97-102.

6. Watkins B.J. Planet. Space Sci. 1978. 26, №6, p.p. 559-569.

7. Sojka J.J., Raitt W.J., Shunk R.W. J.Geophys.Res. 1981. 86, №8,

pp. 6968-6976.

8. Larina T.N., Maksimova N.M., Mozhaev A.M., Cherny'sheva S.P. Phys. Solariterr. Potsdam. 1982. №18, pp.47-70.

9. Galperin Yu.I., Zosimova A.G., Larina T.N., Mozhaev A.M., Osipov N.K., Ponomarev Yu.N. Kosmicheskie issledovaniya. 1980. 18, №6, pp.877-898.

10. Larina T.N. Mozhaev A.M., Ponomarev Yu.N. Vlaskov G.A. Preprint IKI AN SSSR. 1986. №1132, 26 p.

11. Vlaskov, G. A. Tipovye vozmushcheniya i fluktuacii magnitosfernoj konvekcii i ih vliyanie na harakter global'nogo raspredeleniya ehlektronnoj koncentracii v F-oblasti polyarnoj ionosfery [Typical perturbations and fluctuations of the magnetospheric convection and their influence on the global distribution of the electron concentration in the F region of the polar ionosphere]. Dis. kand. fiz-mat. nauk. 1991. M: IZMIR AN. 123 p.

12. Weber E.J., Burchan J., Moore J.G., Sharber J.R.< Livington R.C., Winingham J.D., Reinisch B.W. Gophys. Res. 1984. A89, №3, pp. 1683-1694.