Моделирование проявлений поляризационного джета в субавроральной ионосфере

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 550.388.2:550.385.36

И. А. Голиков, А. Е. Степанов, В. И. Попов, А. А. Решетников, Е. Д. Бондарь, А. Г. Корякин, Т Н. Соловьев

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДЖЕТА В СУБАВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЕ

Численное моделирование с помощью трехмерной модели высокоширотной ионосферы было проведено с целью изучения сезонных особенностей проявления поляризационного джета в субавроральной ионосфере. Результаты численного моделирования подробно объясняют гелио-геофизические условия возникновения поляризационного джета. Показано, что в восточном полушарии признаки поляризационного джета более вероятны в месяцы равноденствия и менее вероятны летом и зимой. Сравнение численного моделирования с экспериментальными данными показало, что поляризационный джет отвечает за формирование узкого провала ионизации на высотах Б2-области.

Ключевые слова: ионосфера, магнитосфера, поляризационный джет, субавроральная ионосфера, численное моделирование, трехмерная модель, дрейф ионов, вертикальное зондирование, узкий провал ионизации, плазма.

I. A. Golikov, A. E. Stepanov, V I. Popov, A. A. Reshetnikov, E. D. Bondar, A. G. Koryakin, T N. Solovyov

The modeling of the Polarization Jet appearance in subauroral ionosphere

The numerical modeling with a help of the three-dimensional high latitude ionosphere model has been carried out in order to study the seasonal features of the Polarization Jet (PJ) appearance in subauroral ionosphere. The results of the numerical simulations thoroughly explained the helio-geophysical conditions of the PJ appearance. It has been shown that in the Eastern Hemisphere the PJ appearance was more probable in equinox months and less probable in summer and winter. The comparison of the numerical simulations with experimental data has showed that the PJ is responsible for the formation of the narrow ionization troughs at the latitudes of the F2-region.

Key words: ionosphere, magnetosphere, the Polarization Jet, subauroral ionosphere, numerical simulations, the three-dimensional model, ion drift, vertical sounding, narrow ionization trough, plasma.

ГОЛИКОВ Иннокентий Алексеевич - д. ф.-м. н., профессор, г. н. с. Института космофизических исследований и аэрономии имени Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: gia2008@mail.ru.

СТЕПАНОВ Александр Егорович - к. ф.-м. н., доцент, с. н. с. лаборатории магнитосферно-ионосферных исследований Института космофизических исследований и аэрономии имени Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: a_e_stepanov@ikfia.ysn.ru.

ПОПОВ Василий Иванович - к. ф.-м. н., доцент кафедры радиофизики и электроники ФТИ СВФУ им. М.К. Аммосова.

E-mail: volts@mail.ru.

РЕШЕТНИКОВ Александр Александрович - инженер-программист I категории Института космофизических

исследований и аэрономии имени Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: AReshetnikov.ykt@gmail.com.

БОНДАРЬ Елена Дмитриевна - к. ф.-м. н., м. н. с. лаборатории магнитосферно-ионосферных исследований Института космофизических исследований и аэрономии имени Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: e.d.bondar@ikfia.ysn.ru

КОРЯКИН Анатолий Георгиевич - к. ф.-м. н., зав. кафедрой радиофизики и электроники ФТИ СВФУ им. М.К. Аммосова.

E-mail: drpe@sitc.ru.

СОЛОВЬЕВ Тимофей Николаевич - к. ф.-м. н., профессор кафедры радиофизики и электроники ФТИ СВФУ им. М.К. Аммосова.

E-mail: tim_sol@yahoo.com.

Поляризационный джет (далее «джет») - узкая струя быстрого дрейфа ионов (плазмы) к западу на высотах области F в субавроральной ионосфере, обнаруженная Ю. И. Гальпериным и др. [1] по данным спутника «Космос - 184» и подтвержденная авторами N. C. Maynard [2], M. Smiddy [3], R. W. Spiro [4] и другими, играет существенную роль в формировании узких провалов ионизации в области главного ионосферного провала [5, 6]. Ye. Bondar et al. [7] проведено исследование влияния джета на крупномасштабную структуру ионосферы в период равноденствия с помощью трехмерной модели высокоширотной ионосферы. Показано, что дрейфы плазмы со скоростями выше 200 м/сек приводят в вечернем секторе к образованию узких провалов ионизации в результате выноса плазмы к предполуденному сектору в зоне действия джета.

В настоящей работе с целью определения степени и характера влияния джета на пространственновременное распределение ионизации для разных сезонов проведен вычислительный эксперимент на трехмерной модели, учитывающей горизонтальные процессы переноса плазмы и несовпадение географического и геомагнитного полюсов [8].

Основными ионосферными признаками проявления джета по наземным данным являются:

- резкие уменьшения критических частот fF2 на 2-4 МГц за 15-30 мин., которые на f-графиках вертикального зондирования (ВЗ) регистрируются как срывы частоты в суточном ходе;

- F3 -отражения на ионограммах ВЗ, указывающие на появление узкого глубокого минимума (провала) концентрации электронов [9].

В работе А. Е. Степанова и др. [10] рассмотрено

сезонное распределение частоты появления джета по данным (^графики) Якутской меридиональной цепочки станций ВЗ Якутск - Батагай - Тикси за 1968 -1969 гг. (период максимума солнечной активности) и за 1973 - 1974 гг. (период минимума солнечной активности). Показано, что частота появления срывов /^2 имеет ярко выраженные пики в периоды весеннего и осеннего равноденствия. В зимние месяцы на всех трех станциях наблюдается уменьшение частоты появления срывов, а в летние они практически отсутствуют. В данной работе рассмотрены сезонные особенности ^3 -отражений (признаки узких провалов) по данным станций ВЗ Якутск - Жиганск - Тикси за 2005 г. (период низкой солнечной активности).

На рис. 1 показана гистограмма распределения появления ^3 -отражений в зависимости от сезона. Видно, что в сезонном ходе частота появления узких провалов имеет максимумы в равноденственные месяцы, а минимум - в летние, что хорошо согласуется с данными по срывам критических частот [10].

Для объяснения приведенных выше экспериментальных данных о сезонных особенностях влияния джета на структуру субавроральной ионосферы проведены расчеты на трехмерной модели высокоширотной ионосферы в переменных Эйлера [11], учитывающей поляризационный джет и иТ-контроль для трех сезонов (при склонении Солнца 5=00 - равноденствие, 23о - лето, 23о - зима). При этом заданы: геомагнитная активность - Кр = 3, положение джета со скоростями V = 0.1^3 км/сек в зоне шириной 3о за областью магнитосферной конвекции (за плазмопаузой) в интервале местного времени от 12 до 24 часов. Направление джета показано стрелками.

Рис. 1. Число случаев появления поляризационного джета за 2005 г.

И. А. Голиков, А. Е. Степанов, В. И. Попов, А. А. Решетников, Е. Д. Бондарь, А. Г. Корякин, Т. Н. Соловьев. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ДЖЕТА В СУБАВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЕ

Рис. 2. Изолинии расчитанной электронной концентрации

На рис. 2 показаны изолинии рассчитанной электронной концентрации в максимуме F2 (и^2) в экваториальной плоскости (в ед. 104 см-3) в географической системе координат при V = 1000 м/сек, что соответствует направленному к полюсу электрическому полю Е = 50 мВ/м. За внешним кругом указаны долготы и местное время для 09 часов мирового времени ИТ. Положение терминатора (граница

освещенной и неосвещенной частей Земли) обозначено жирной линией, плазмопаузы - штриховой окружностью. Область «полной тени» [11], лишенная источников прямой как волновой, так и корпускулярной ионизации, формирующаяся в зимний период в восточном полушарии вследствие несовпадения географического и геомагнитного полюсов, показана в виде серпа (заштрихована). Видно, что

в равноденствие (а) в вечернем секторе на долготах станции Якутск (ф = 129о) наблюдается узкий провал ионизации, тянущийся вдоль границы плазмопаузы (изолиния п ¥2 = 2.2 •Ш5 см-3), который формируется в результате выноса ионизации из ночной стороны на дневную направленным к западу дрейфом плазмы, т. е. джетом. В период летнего солнцестояния, несмотря на полное освещение субавроральной ионосферы, при больших значениях скорости дрейфа плазмы порядка V = 1 км/сек и более также могут формироваться слабовыраженные провалы ионизации в области действия джета (б). В условиях зимнего солнцестояния (в) субавроральная ионосфера на долготах станции Якутск оказывается в области полной «тени», вследствие чего вынос ночной плазмы на дневную сторону становится невозможным. В то же время глубокий провал ионизации образуется в области полной «тени» в результате рекомбинационных процессов (п ¥2 < 104см-3). В западном полушарии на долготах ф = 2400 ^ 3000 проявление джета в виде узких провалов наблюдается в 00иТ в вечернем секторе при 5 = 0о и 23о. Дрейф плазмы в этих случаях направлен поперек изолиний. При 5 = -23о провал исчезает. В этот период зона действия джета оказывается на затененной стороне. Дрейф плазмы в данном случае направлен вдоль изолинии, вследствие чего джет не приводит к структурным изменениям в ионосфере. В случае, когда западное полушарие оказывается на дневной стороне (18 иТ), во все сезоны в вечернем секторе могут формироваться узкие провалы ионизации за счет выноса слабой ночной ионизации на дневную сторону, что отличает от восточного полушария в сезонных особенностях проявления таких провалов. Зимой на этих долготах не формируется явление «полной тени», т. к. суб-авроральная ионосфера при суточном вращении Земли в дневные часы заходит на освещенную сторону. Наиболее ярко этот эффект наблюдается, как ожидалось, в период равноденствия, когда освещенная и затененная части субавроральной ионосферы почти равны и дрейф плазмы направлен поперек изолиний.

Сопоставление модельных расчетов с экспериментальными данными показало, что сезонные особенности проявления джета как по ¥3$-отраже-ниям в ионограммах, так и по узким провалам ионизации на высотах области ¥ субавроральной ионосферы хорошо согласуются. Существенные изменения в пространственно-временном распределении электронной концентрации происходят в весенне-осенний период, в летний - во время усиления магнитосферного электрического поля, а в зимних условиях изменения за счет джета минимальны.

Выводы:

1. Сезонный ход частоты ¥3 ^отражений на Якут-

ской меридиональной цепочке станций ВЗ (восточное полушарие) имеет два максимума в весенние и осенние месяцы, а минимум - в летние, что хорошо согласуется с сезонным ходом частоты «срывов».

2. Результаты модельных расчетов показали, что вероятность появления джета также зависит от сезона: узкие провалы в области действия джета лучше проявляются в равноденствие вследствие выноса плазмы из ночной стороны на дневную в вечернем секторе. В летний период субавроральная ионосфера восточного полушария освещена практически полностью и фотоионизация доминирует над процессами переноса, затрудняя проявление эффекта джета. Зимой, наоборот, субавроральная ионосфера восточного полушария практически не освещена и оказывается в области «полной тени». Глубокие провалы (или «дыры») ионизации в этой области могут формироваться и в отсутствие поляризационного джета. Это означает, что F3 -отражения в зимний период могут быть следствием «дыр» ионизации.

3. Сопоставление экспериментальных данных и результатов модельных расчетов показали, что джет приводит к образованию узких провалов ионизации в весенний период, а в зимний и летний периоды -преимущественно в западном полушарии.

Л и т е р а т у р а

1. Гальперин Ю. И., Пономарев В. Н., Зосимова А. Г. Прямые измерения скорости дрейфа ионов в верхней ионосфере во время магнитной бури // Космические исследования. - 1973. - Т. 11. - № 2. - С. 273-296.

2. Maynard N. C. On large poleward directed electric fields at subauroral latitudes // Geophys. Res. Lett., - 1978. V.5 -№ 7. - P. 617-618.

3. Smiddy M., Kelley M. C., Burke W. J., Rich F., Sagalyn R., Shuman B., Hays R., Lai S. Intense poleward directed electric fields near the ionospheric projection of plasmapause // Geophys. Res. Lett., 1977. V. 4. - P. 543.

4. Spiro R. W., Heelis R. A., Hanson W. B. Rapid subauroral ion drifts observed by atmospheric Explorer C // Geophys. Res. Lett., 1979. V. 6 - № 8. - P. 660-675.

5. Сивцева Л. Д., Филиппов В. М., Халипов В. Л. Гальперин Ю. И., Ершова В. А., Николаенко Л. М., Пономарёв Ю. Н., Синицын В. М. Координированные исследования процессов в субавроральной верхней ионосфере и провала концентрации легких ионов // Космические исследования. 1984. - Т. 22. - № 5. - С. 720-741.

6. Филиппов В. М., Шестакова Л. В., Гальперин Ю. И. Полоса быстрого дрейфа ионов в субавроральной F-области и ее проявление в структуре высокоширотной ионосферы // Космические исследования, - 1984. - Т. 22. - № 4. - С. 557-564.

7. Bondar Ye., Golikov I., Khalipov V., Popov V, Solovyev T., Stepanov A. The polarization Jet influence on the subauroral ionospheric structure. // Conference Proceedings of the 29th

А. Г. Дягилева, Я. Б. Легостаева. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕНЕЗА НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ

International Conference on Phenom-ena in Ionized Gases (ICPIG 2009). Mexico, 2009. V. 1. - P365-368.

8. Голиков И. А., Колесник А. Г., Чернышев В. И., Попов

В. И. Математическая модель области F2 высокоширотной ионосферы с учетом теплового режима // Вестник ЯГУ. - 2005. Т. 2. - № 3. - С. 61-69.

9. Гальперин Ю. И., Сивцева Л. Д., Филиппов В. М., Халипов В. Л. Субавроральная верхняя ионосфера. -

Новосибирск: Наука. Сиб. Отд. - 1990. - 192 с.

10. Степанов А. Е., Халипов В. Л., Бондарь Е. Д., Заболоцкий М. С. Срывы критических частот слоя Б2 как граница крупномасштабной конвекции плазмы // Современные проблемы космической физики. - Якутск, 2007. - С. 165-168.

11. Колесник А. Г., Голиков И. А. Явление «полной тени» в верхней атмосфере Земли // Доклады АН СССР, 1984. Вып. 4. - С. 832-834.

УДК 574:631.436.6

А. Г. Дягилева, Я. Б. Легостаева

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕНЕЗА НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ

Исследованы химические свойства мерзлотных почв техногенных ландшафтов, влияющих на поведение в них микроэлементов, в том числе тяжелых металлов. Для оценки качества среды использовались значения локального фона, коэффициенты концентрации, коэффициенты встречаемости микроэлементов (К) и суммарный коэффициент загрязнения ^е). Оценен существующий уровень загрязнения исследованных почв.

Ключевые слова: мерзлотные почвы, криоземы, подвижные формы микроэлементов, локальный фон, тяжелые металлы, коэффициент концентрации, коэффициент встречаемости, суммарный показатель загрязнения, техногенное загрязнение, геохимическая аномалия.

A. G. Dyagileva, Ya. B. Legostaeva

Influence of technogenesis on ecological condition of cryogenic soils

The chemical properties of the permafrost of technogenic landscapes are studied that affect the behavior of trace elements in them, including heavy metals. The values of the local background, concentration ratios, coefficients incidence occurrence of trace elements (Hi) and the total coefficient of pollution (Zc) are used to assess the quality of the environment. Current level of contamination of the studied soils is assessed.

Key words: permafrost, cryosol, mobile forms of trace elements, local background, heavy metals, coefficient of concentration, coefficient of occurrence, total index of pollution, industrial pollution, geochemical anomaly.

ДЯГИЛЕВА Анна Григорьевна - младший научный сотрудник Научно-исследовательского института прикладной экологии Севера.

Е-таН: nuta0687@rambler.ru

ЛЕГОСТАЕВА Яна Борисовна - к. б. н., зав. лабораторией физико-химических методов анализа Научноисследовательского института прикладной экологии Севера.

Е-таН: ylego@mail.ru