Расслоение главного ионосферного провала как эффект несовпадения географической и геомагнитной осей Земли

Расслоение главного ионосферного провала как эффект несовпадения географической и геомагнитной осей Земли

1 12 1 Ю.А. Шаповалова , А.А. Намгаладзе ' , А.Н. Намгаладзе ,

Б.З. Худукон1

1 Полярный геофизический институт КНЦ РАН Политехнический факультет Мурманского государственного технического университета, кафедра физики

Аннотация. С помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли исследовано влияние несовпадения географической и геомагнитной осей Земли на распределение электронной концентрации в области главного ионосферного провала в спокойных геомагнитных условиях. Показано, что наряду с заметным UT-эффектом несовпадение осей приводит к появлению расслоений главного ионосферного провала в некоторых долготных секторах вследствие периодических перемещений картины магнитосферной конвекции относительно положения терминатора.

Abstract. By the use of the global numerical upper atmosphere model (UAM) an investigation of the influence of the noncoincidence of the Earth's geomagnetic and geographic axes on the electron density distribution within the main ionospheric trough have been performed for the quiet geophysical conditions. It has been shown, that noncoincidence of the axes causes not only appreciable UT-effect, but also the main ionospheric trough stratification. This stratification appears in some longitudinal sectors due to the periodical movements of the magnetospheric convection pattern relatively to the terminator position.

1. Введение

В настоящее время активно ведутся работы по определению распределения электронной концентрации в ионосфере и изучению причин образования и динамики ее крупномасштабных структур, существенно влияющих на характер распространения радиоволн. В субавроральной ионосфере (геомагнитные широты ~55-65°) такой крупномасштабной структурой является область главного (наравне используется понятие "среднеширотного") ионосферного провала ("main ionospheric trough", "mid-latitude trough") - истощение до 1-3 порядков величины электронной концентрации к экватору от авроральной зоны, наиболее часто возникающее и четко определяемое в ночном секторе в зимнем полушарии.

Первоначально существование области пониженной концентрации плазмы на высотах F2 слоя было определено методом вертикального зондирования ионосферы (Reber, Ellis, 1956). По мере развития космической техники все больший вклад в изучение положения и динамики ГИП вносили методы зондирования сверху и радиопросвечивания (Muldrew, 1965). На основе обработки экспериментальных данных по зондированию сверху было определено, что область истощения электронного содержания, имеющая место на средних и субавроральных широтах и получившая наименование главного ионосферного провала (ГИП), имеет "желобообразную" форму с более крутой полярной стенкой.

Вероятность наблюдения ГИП больше всего зимой, ночью, и растет с ростом магнитной активности. Основными характеристиками локализации ГИП принимались: широта минимума электронной концентрации и широтный интервал, на котором прослеживалась V-образная структура, - ширина провала. Был предложен ряд эмпирических моделей (Rycroft, Burnell, 1970; Kohnlein, Raitt, 1977; Collis, Haggstrom, 1988; Deminov et al., 1999), позволяющих определять положение минимума электронной концентрации в координатах "солнечное местное время (LT) - инвариантная широта". В этих моделях использовались зависимости широты минимума электронной концентрации от местного времени и индекса геомагнитной активности (в большинстве моделей использовался Kp-индекс).

Исследования степени развитости (глубины и ширины) провала только от местного времени не позволяют получить четких закономерностей, но можно заключить, что возникновение ГИП чаще всего отмечается в ранние вечерние и ранние утренние часы (например, Moffett, Quegan, 1983). Это позволяет говорить об устойчивом поведении зимнего ГИП в неосвещенное время суток, т.е. существовании некоторого постоянно действующего механизма формирования ГИП.

Таких механизмов предложено несколько (см., например, Брюнелли, Намгаладзе, 1988), но наиболее популярный - конвекционный. Определяющая роль конвекции в формировании ионосферного провала продемонстрирована в работах (Knudsen et al., 1977; Можаев, Осипов, 1977; Клименко, Намгаладзе, 1980). Суть конвекционной гипотезы заключается в следующем. Движение замагниченной магнитосферной плазмы на высотах F2-oблacти определяется действием электрических полей

магнитосферной конвекции и коротации. Из-за наличия участков с противоположными направлениями конвекции и коротации в вечернем секторе в этих местах образуются области застоя (стагнации) плазмы, дрейфующей под действием полей конвекции и коротации, что и ведет к формированию провала при условии затенённости области застоя, поскольку в этом случае плазма рекомбинирует, не выходя на дневную сторону и не подпитываясь таким образом от солнечного ионизирующего источника.

Провал может также сливаться с "полярными дырами", расположенными вблизи фокусов вихрей конвекции и возникающими при наличии полностью затенённых вихрей.

Многими исследователями (Mendillo, Klobuchar, 1975; Collis, Häggström, 1988) отмечается, что с увеличением геомагнитной активности ГИП смещается к более низким широтам. Этот факт также говорит в пользу конвекционной гипотезы, т.к. с ростом геомагнитной активности интенсивность конвекционных движений возрастает, и картина конвекции расширяется к экватору. Этому расширению препятствует, правда, эффект экранирования поля конвекции так называемым полем поляризации, создаваемым продольными токами зоны 2 (Ляцкий, 1978; Мальцев, 1986). Но имеющееся при этом усиление поля конвекции к полюсу от зоны 2 даёт дополнительный вклад в углубление провала за счёт фрикционного роста ионной температуры и соответствующего убыстрения ионных потерь в ионно-молекулярных реакциях (Брюнелли, Намгаладзе, 1988).

В работе (Карпачев, Афонин, 1998) предпринята попытка выявить зависимости вероятности наблюдения ГИП от сезона, местного времени, уровня магнитной активности и долготы. Подтверждено, что провал является стабильной (вероятность ~90-95%) характеристикой ночной зимней субавроральной ионосферы. Ионосферные провалы могут наблюдаться и в летних ночных, и в зимних дневных условиях. Их характеристики в этих условиях отличаются от характеристик классического ГИП, но всегда минимум концентрации расположен не далее чем на ~5° экваториальнее аврорального овала.

В последние годы провал (или провалы) исследуется новыми радиофизическими методами, такими как метод спутниковой радиотомографии (Nygren et al., 1997), а физическая интерпретация наблюдений осуществляется методом математического моделирования с привлечением глобальных ионосферных моделей (Намгаладзе и др., 2000; Aladjev et al., 2001; Namgaladze et al, 2003). В настоящей работе предпринята попытка физической интерпретации обнаруживаемого в томографических наблюдениях явления расслоения провала в спокойных геомагнитных условиях, когда появляется два минимума в широтном ходе электронной концентрации на высотах Г2-слоя с локальным максимумом между ними.

2. Метод спутниковой радиотомографии

В Полярном геофизическом институте КНЦ РАН для изучения структуры субавроральной ионосферы и её динамики применяется метод спутниковой радиотомографии, который позволяет реконструировать пространственную структуру среды.

Радиотомографические задачи в силу специфики используемого аппарата разделяют на задачи лучевой, дифракционной и статистической томографии. Первые две относятся к случаю детерминированной обратной задачи, когда необходимо восстановить структуру некоторых крупных неоднородностей (лучевая) или группы неоднородностей (дифракционная). Если же большое число неоднородностей занимает некоторую область в пространстве, то целесообразно реконструировать не структуру отдельной реализации непрерывно меняющихся неоднородностей, а структуру статистических характеристик неоднородностей, таких как функция корреляции плотности электронной концентрации и т.д.

Схема радиотомографического эксперимента включает: движущийся вокруг Земли спутник с передатчиком и приемные системы, расположенные на поверхности Земли. Приемная система может содержать один приемник, линейку приемников, либо набор линеек в зависимости от задачи. Для лучевой радиотомографии необходимо иметь ряд приемников вдоль траектории пролета спутника, расположенных на расстояниях порядка сотен километров. Для дифракционной - поперечные направлению движения спутника линейки приемников с размерами от километра и более. Задачи статистической радиотомографии могут решаться как несколькими приемниками вдоль траектории, так и несколькими поперечными линейками, в зависимости от постановок (Kunitsyn, Tereshchenko, 2003).

В радиотомографическом эксперименте с использованием цепочки из четырех приемников зимой 1999 г. получены распределения плазмы в вертикальном сечении вдоль цепочки (Namgaladze et al, 2003). Приемники были установлены в пунктах, расположенных примерно вдоль геомагнитного меридиана 125° и имеющих следующие географические координаты: 64.95°N и 34.57°Е (Кемь), 67.37°N и 32.49°Е (Полярные Зори), 68.59°N и 31.76°Е (п. Верхнетуломский), 69.4°N и 30.99°Е (Никель). В эксперименте использовались российские навигационные спутники, летающие на высоте около 1000 км, у которых направление движения очень близко к выбранному направлению цепочки приемных станций для высоких углов места ИСЗ.

Из всех пролетов спутников для измерений выбирались именно такие, при которых траектория движения ИСЗ не очень сильно отклонялась от линии расположения приемников. Некоторые из экспериментально полученных разрезов ионосферы обнаруживают весьма интересные и необычные особенности в поведении ГИП. На рис. 1 приведены примеры томографических реконструкций, содержащих сечение главного ионосферного провала. Рассматриваемые картины относятся к вечерним и утренним часам (с 18 по 5 часов местного времени) 30 и 31 января 1999 г. Геомагнитные условия были спокойные, средний Кр-индекс составил порядка 0.3.

Заметим, что представленные на рис. 1 высотно-широтные сечения электронной плотности Г2-слоя высокоширотной ионосферы не зафиксировали экваториальную стенку главного ионосферного провала, в то время как полярная стенка на этих реконструкциях хорошо выражена. Обращает на себя внимание существование области повышенной электронной концентрации в центре главного ионосферного провала, т.е. имеет место как бы "расслоение" ГИП.

Интерпретация этого факта, т.е. объяснение физических причин, приведших к формированию необычных распределений ионосферной плазмы в области ГИП, является весьма непростой задачей, решение которой может пролить свет на некоторые нерешенные проблемы физики земной ионосферы, в частности, формирования ГИП. Несмотря на то, что для объяснения причин возникновения ГИП предложено более десятка различных механизмов, проблема формирования ГИП в различных геофизических условиях до сих пор не закрыта и продолжает оставаться актуальной.

Не, Ю^яГ

30.01.99 20:20 ит

1.5  500

400

1 300

0.5 п 200

100

0 0

Ю11!!"3

60 61 62 63 64 65

30.01.99 21:19 ит

1.5  500

т 400

1  300

0.5 п 200

100

0 1 0

Ю11!!-3

60 61 62 63 64 65

31.01.99 00:28 ОТ

1.5  500

9 400

1  300

0.5 п 200

100

0 0

60 61 62 63 64 65

31.01.99 02:20 ИТ

60 61 62 63 64 65

Рис. 1. Томографические реконструкции высотно-широтных сечений электронной концентрации вдоль геомагнитного меридиана 125°, полученные 30 и 31 января 1999 г. По оси абсцисс отложена геомагнитная широта (град), по оси ординат - высота (км).

3. Математическое моделирование

Нами предпринята попытка физической интерпретации наличия области повышенной электронной концентрации на дне ГИП на основе численного моделирования с использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (Namgaladze а1, 1998). В этой модели (Намгаладзе и др., 1998; Намгаладзе и др., 2000) самосогласованно решается система гидродинамических уравнений для нейтрального газа и ионосферной плазмы. В модели также рассчитывается распределение электрического потенциала с учетом токов магнитосферного источника и динамо-эффекта термосферных ветров в предположении дипольного магнитного поля (с учетом несовпадения геомагнитной и географической осей) и электрической эквипотенциальное™ его силовых линий. Система уравнений нейтральной атмосферы и нижней ионосферы решается в сферической геомагнитной системе координат в высотном интервале от 80 до 520 км. В качестве нижнего граничного условия для нейтральных компонент использовались данные модели МСИСЕ90; для нейтрального ветра - геострофическое приближение.

Уравнения для верхней ионосферы и плазмосферы решаются в дипольной геомагнитной системе координат вдоль силовых линий геомагнитного поля для высотного интервала от 175 км до 15 ИБ. В модели силовые линии с Ь > 15 (Ь-параметр МакИлвейна) предполагаются разомкнутыми. Граничные условия в области замкнутых силовых линий задавались у основания магнитных силовых линий в южном и северном полушариях на высоте, начиная с которой заряженные компоненты предполагаются замагниченными (175 км).

Выдвинута гипотеза: явление промежуточного максимума между приэкваториальной и приполюсной стенками провала связано с несовпадением географической и геомагнитной осей Земли. Это предположение основано на результатах (Клименко, Намгаладзе, 1981), показавших возможность

расслоения провала вследствие нестационарности конвекции. А именно: когда конвекция нестационарна, плазма на отдельных дрейфовых траекториях может на некоторое время выходить на освещенные солнцем участки, увеличивать там свою плотность под действием ионизации солнечным излучением и заносить потом эту добавочную концентрацию в ранее опустошённые области. На других траекториях, напротив, плазма дополнительно обедняется за счёт её выноса.

Проявления этих эффектов могут быть самыми разнообразными: сужение, расширение провала, изменение формы широтного профиля электронной концентрации, включая появление расслоений. В работе (Клименко, Намгаладзе, 1981) различие между географической и геомагнитной осями Земли не учитывалось, были рассмотрены эффекты, связанные только с изменением конвекции во времени: нарастанием в течение двух часов и последующим возвращением к начальному уровню в течение такого же времени.

В спокойных геомагнитных условиях магнитосферная конвекция не меняется или меняется незначительно в геомагнитной системе координат, так что её можно считать стационарной в этой системе. Однако, картина конвекции, привязанная к магнитному полю, вращается относительно географической оси и, следовательно, является нестационарной в географической системе координат, и, в частности, она нестационарна относительно терминатора (восходно-заходной окружности): отдельные траектории то заходят на освещённые солнцем участки, то не попадают на них.

В геомагнитной системе координат, напротив, положение терминатора является нестационарным: он то приближается, то удаляется от фиксированных вихревых ячеек конвекции. Следовательно, вращение конвекции, привязанной к геомагнитной оси, вокруг географической оси, равносильное нестационарности конвекции в географической системе координат, должно вызывать эффекты в главном ионосферном провале, аналогичные полученным в работе (Клименко, Намгаладзе, 1981), вплоть до формирования расслоений.

С целью проверки выдвинутой гипотезы с помощью теоретической численной модели верхней атмосферы Земли (Namgaladze et al, 1998) нами проведены расчеты электронной концентрации (как и всех прочих моделируемых этой моделью параметров) с разнесением и совмещением географической и геомагнитной осей для спокойных геомагнитных условий 29 января 1999 г. Совмещение осей осуществлялось путем задания тождественного перехода между географической и геомагнитной координатными сетками по широте и 70°-ного сдвига этих сеток по долготе. Разность потенциалов поперёк полярной шапки, определяющая конвекцию, и высыпания энергичных магнитосферных электронов, определяющие проводимость высокоширотной ионосферы, в расчётах задавались постоянными во времени.

4. Результаты расчётов и их обсуждение

Результаты моделирования показали, что эффекты несовпадения географической и геомагнитной осей в распределении электронной концентрации особенно четко прослеживаются на субавроральных широтах. На рис. 2 представлены распределения электронной концентрации на высоте 300 км, полученные для двух вариантов расчета. Из рисунков видно, что в расчете с совмещенными географической и геомагнитной осями распределение электронной концентрации во времени меняется незначительно (идёт процесс установления стационарного состояния), тогда как результаты расчета с разнесением осей указывают на наличие существенного UT-эффекта, т.е. зависимости от мирового времени.

Картина распределения электронной концентрации на высоте 300 км, полученная при расчете с разнесением осей, сильно меняется в течение суток: в субавроральной зоне формируются то две области пониженной электронной концентрации (для периодов времени от 02 до 04UT, от 07 до 11UT) в районе 05 MLT (их протяженность по долготе варьируется от 80° до 210°) и 18 MLT (протяженность по долготе от 10° до 75°), то одна (в 01UT, в периоды с 05 до 06UT и с 12 до 24UT), протяженность которой минимальна в 13-14UT (по широте около 45°, по долготе 8°).

При расчете с разнесением осей в 03UT имеется два минимума в электронной концентрации: один в вечернем секторе, другой - более глубокий - в утреннем, а в 12UT наблюдается только один минимум, находящийся в утреннем секторе и имеющий значительно меньшую долготную протяженность. Результаты расчета c совмещенными осями (рис. 26) показывают, что провал электронной концентрации локализован на одних и тех же MLT-долготах и в течение суток его форма сохраняется.

Практически в любой момент времени UT при расчете с разнесением географической и геомагнитной осей на меридиональных разрезах распределения электронной концентрации обнаруживаются крупномасштабные структуры, примеры которых приведены на рис. 3а, с наличием не одного, а двух минимумов (расслоений) в широтном ходе электронной концентрации. Расчет с совмещением осей показал отсутствие подобных образований и одновременно общее повышение заполнения среднеширотных магнитных трубок (рис. 36).

Расчёт с разнесением осей

Расчёт с совмещением осей

Ь§ [N6, т Ч

Рис. 2. Распределения электронной концентрации на высоте 300 км в зимнем полушарии для моментов времени 6, 12, 18 и 24 иТ 29 января 1999 г., полученные при различных вариантах расчёта: с разнесенными (а) и с совмещенными (б) географической и геомагнитной осями.

Расчёт с разнесением осей

О . ООО

CZ

Расчёт с совмещением осей

Electron density, m

-3

Рис. 3. Высотно-широтные распределения электронной концентрации в различных меридиональных плоскостях (северное полушарие) для 12 ИТ 29 января 1999 г., полученные при различных вариантах расчёта: с разнесёнными (а) и с совмещёнными (б) географической и геомагнитной осями.

Таким образом, гипотеза о появлении областей повышенной концентрации между приэкваториальной и приполюсной стенками главного ионосферного провала вследствие эффекта несовпадения географического и геомагнитного осей нашла свое подтверждение в расчетах по теоретической численной модели верхней атмосферы Земли. Расположение и закономерности появления этих крупномасштабных структур зависят от многих факторов (в первую очередь от сезона, начальных условий, граничных условий для потенциала на полярной шапке, локализации и интенсивности электронных высыпаний) и являются предметом дальнейшего изучения.

5. Заключение

Численное моделирование планетарных распределений электронной концентрации в геомагнитно-спокойных зимних условиях при постоянных распределениях электронных высыпаний и электрического потенциала поперёк полярной шапки, выполненное с помощью глобальной модели верхней атмосферы Земли в двух вариантов расчётов - с разнесёнными и совмещёнными географической и геомагнитной осями Земли, показало:

- отсутствие ИТ-зависимости в распределении электронной концентрации при совмещении осей;

- наиболее существенные изменения в распределении электронной концентрации между двумя вариантами расчётов имеют место в области субавроральных широт;

- появление областей повышенной электронной концентрации внутри главного ионосферного провала, фиксируемых при томографическом восстановлении ионосферы, следует связывать с

нестационарностью конвекции в географической системе координат, обусловленной несовпадением географического и геомагнитного осей и вращением последней вокруг первой, и, соответственно, с UT-изменчивостью освещённости траекторий конвекции.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 00-05-65511, 02-05-64141.

Литература

Aladjev G.A., Evstafiev O.V., Mingalev V.S., Mingaleva G.I., Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z.

Interpretation of ionospheric F-region structures in the vicinity of ionisation troughs observed by satellite radio tomography. Ann. Geophys, v.19, N 1, p.25-36, 2001.

Collis P.N., Haggstrom I. Plasma convection and auroral precipitation processes associated with the main ionospheric trough at high latitudes. J. Atmos. Terr. Phys, v.50, p.389-404, 1988.

Deminov M.G., Karpachev A.T., Annakuliev S.K., Afonin V.V. Dynamics of the mid-latitude ionospheric trough during storms: The recovery phase. International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, v.1, N 3, p.209-218, 1999.

Knudsen W.C., Banks P.M., Winningham J.D., Klumpar D.M. Numerical model of the convecting F2-ionosphere at high latitudes. J. Geophys. Res., v.82, N 29, p.4784-4792, 1977.

Kohnlein W., Raitt W.J. Position of the mid-latitude trough in the topside ionosphere as deduced from ESPO 4 observations. Planet. Space Sci., v.25, p.600-602, 1977.

Kunitsyn V.E., Tereshchenko E.D. Tomography of the ionosphere. Berlin, Springer-Verlag, 241 p., 2003.

Mendillo M., Klobuchar J.A. Investigation of the ionospheric F region using multistation total electron content observation. J. Geophys. Res., v.80, N 4, p.643-650, 1975.

Moffett R.J., Quegan S. The mid-latitude trough in the electron concentration of the ionospheric F-layer: A review of observations and modelling. J. Atmos. Terr. Phys, v.45, p.315-343, 1983.

Muldrew D.B. F-layer ionization troughs deduced from Alouette data. J. Geophys. Res, v.70, N 11, p.2635-2650, 1965.

Namgaladze A.A., Martynenko O.V., Volkov M.A., Namgaladze A.N. and Yurik R.Yu. High-latitude version of the global numeric model of the Earth's upper atmosphere. Proceedings of MSTU, v.1, N 2, p.23-84, 1998.

Namgaladze A.N., Evstafiev O.V., Khudukon B.Z., Namgaladze A.A. Model interpretation of the ionospheric F-region electron density structures observed by ground-based satellite tomography at sub-auroral and auroral latitudes in Russia in January-May 1999. Ann. Geophys, v.21, N 4, p.1005-1016, 2003.

Nygren T., Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Evstafiev O.V., Lehtinen M., Markkanen M. Mapping the ionospheric F region by means of satellite tomography. Acta Geod. Geoph. Hung, v.32, p.395-405, 1997.

Reber G., Ellis G.R. Cosmic radiofrequency radiation near one megacycle. J. Geophys. Res, v.61, p.1, 1956.

Rycroft M.J., Burnell S.J. Statistical analysis of the ionospheric trough and the plasmapause. J. Geophys. Res., v.75, p.5600, 1970.

Брюнелли Б.Е., Намгаладзе A.A. Физика ионосферы. М., Наука, 528 е., 1988.

Карпачев А.Т., Афонин В.В. Зависимости вероятности наблюдения ионосферных провалов от сезона, местного времени, долготы и уровня магнитной активности. Геомагнетизм и аэрономия, т.38, №3, c.79-91, 1998.

Клименко В.В., Намгаладзе А.А. Влияние нестационарной конвекции на распределение холодной плазмы в ионосфере и протоносфере Земли. Геомагнетизм и аэрономия, т.21, №6, с.993-998, 1981.

Клименко В.В., Намгаладзе А.А. О роли конвекции в формировании провала и плазмопаузы. Геомагнетизм и аэрономия, т.20, №5, с.946-950, 1980.

Ляцкий В.Б. Токовые системы магнитосферно-ионосферных возмущений. Л., Наука, 198 е., 1978.

Мальцев Ю.П. Возмущения в магнитосферно-ионосферной системе. Апатиты, ПГИ Кол. Фил. АН СССР, 92 е., 1986.

Можаев А.М., Осипов Н.К. Структура полярной ионосферы и конвекция магнитосферной плазмы за плазмопаузой. Геомагнетизм и аэрономия, т.17, №2, с.273-279, 1977.

Намгаладзе А.А., Мартыненко О.В., Волков М.А., Намгаладзе А.Н., Юрик Р.Ю. Математическое моделирование крупномасштабных возмущений верхней атмосферы Земли. Моделирование процессов в верхней полярной атмосфере. ПГИ, Мурманск, с.167-249, 1998.

Намгаладзе А.А., Фёрстер М., Юрик Р.Ю. Математическое моделирование термосферных и ионосферных эффектов магнитной бури. Физика околоземного космического пространства, Апатиты, с.336-360, 2000.