Численное моделирование глобального распределения электрического потенциала в ионосфере Земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

¿>7 ' 1/10У1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВА Рената Юрьевна

СУ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук 01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

Научный руководитель доктор физико-математических наук ст. науч. сотрудник ААНИИ Уваров В.М.

Санкт-Петербург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................... 4

ГЛАВА 1. Численная модель глобального распределения электрического потенциала в ионосфере Земли............................ 8

1.1. Проблемы моделирования электрических полей, генерируемых продольными токами............................................................. 8

1.1.1 Влияние ориентации межпланетного магнитного поля на структуру конвекции.............................................................. 9

1.1.2. Расчет электрических полей, генерируемых продольными токами................................................................................ 10

1.1.3. Выбор граничных условий......................................... 12

1.1.4.0 проблеме задания распределения продольных токов и

проводимости....................................................................... 13

1.2. Постановка задачи расчета распределения электрического поля в ионосфере с учетом электродинамического взаимодействия полушарий.......................................................................... 16

1.3. Алгоритм численного решения..................................... 19

1.3.1. Описание итерационного метода, применяемого для решения задачи................................................................................. 20

1.3.2. Разностная аппроксимация уравнений.......................... 23

1.3.3. Результаты тестирования программы, реализующей алгоритм............................................................................. 28

1.4. Выводы................................................................... 30

ГЛАВА 2. Численное моделирование систем ионосферной

конвекции........................................................................... 31

2.1. Системы конвекции в дневной области полярной шапке, учитывающие влияние азимутальной компоненты межпланетного магнитного поля................................................................... 33

2.1.1. О влиянии Ву-компоненты ММП на структуру продольных

токов в дневном секторе......................................................... 33

2.1.2. Схемы продольных токов, зависящих от Ву-компоненты ММП................................................................................. 36

2.1.3. Описание структуры конвекции в дневном секторе......... 38

2.1.4. Анализ профилей меридиональной и зональной компонент электрического поля.............................................................. 41

2.2. Конвекция при экстремально спокойных геомагнитных условиях............................................................................ 44

2.2.1. Схема продольных токов при Ву»Вг«0......................... 45

2.2.2. Модельное распределение электрических полей, возбуждаемых продольными токами зон 0, 1,2 при отсутствии тока на ночной стороне.................................................................... 47

2.2.3. Распределение электрического поля при наличии мелкомасштабных структур продольных токов на ночной стороне.... 51

2.2.4. Случай солнцестояния. Зимняя и летняя полярные шапки. 53

2.3. Глобальные картины конвекции, возбуждаемой ЭРУ и полуночной трехслойной системами продольных токов................. 55

2.3.1. Структура продольных токов БРУ и МТБ......................55

2.3.2. Конвекция, возбуждаемая изолированно высокоширотной частью ОРУ и МТБ системой продольных токов.......................... 58

2.3.3. Случай равноденствия. Конвекция, обусловленная совместным действием ОРУ и МТ8 систем продольных токов........ 60

2.3.4. Случай солнцестояния..............................................63

2.3.5 Сопоставление результатов моделирования с данными

спутника Magsat................................................................... 67

2.4. Выводы.................................................................. 69

ГЛАВА 3. Реконструкция структуры продольных токов по данным

спутниковых измерений магнитного поля................................... 72

3.1. Магнитные поля продольных токов................................ 73

3.1.1. Проблемы определения продольных токов по вариации магнитного поля над ионосферой............................................. 73

3.1.2. Алгоритм численного решения магнитостатической задачи для векторного потенциала...................................................... 75

3.1.3. Расчет распределения магнитного поля для модельных схем токов. Краевые эффекты......................................................... 78

3.2. Определение схем продольных токов по зональной и меридиональной компонентам магнитного поля, измеренным вдоль траектории пролета спутника................................................... 87

3.2.1. Постановка задачи................................................... 87

3.2.2. Описание метода последовательных приближений для определения двумерной структуры продольных токов................... 89

3.3. Реконструкция двумерных схем продольных токов в области дневного каспа по данным спутника Ореол-3............................... 93

3.3.1. Экспериментальные данные, используемые в анализе...... 93

3.3.2. Применение метода последовательных приближений для интерпретации данных магнитных измерений спутника Ореол-3...... 95

3.3.3. Структура продольных токов, наблюдаемых в пролетах ЗОШ, 3(Ш, 3(Ш, ЗЮИ спутника Ореол-3..................................103

3.5. Выводы...................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................108

ЛИТЕРАТУРА............................................................... 113

ВВЕДЕНИЕ

В диссертации с использованием численных методов исследуются электрические поля магнитосферной конвекции, магнитные поля и структура продольных токов.

Актуальность проблемы.

Изучение околоземного космического пространства является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей науки. Установлено, что нейтральная атмосфера - ионосфера - магнитосфера должны рассматриваться как единый комплекс, подвергающийся воздействию волнового и корпускулярного излучений Солнца. Особенно тесное взаимодействие процессов в ионосфере и магнитосфере Земли осуществляется в высоких широтах, и центральную роль в этом играют продольные токи и горизонтальный перенос ионосферной плазмы, определяемый распределением электрических полей магнитосферного происхождения. Важная роль электрических полей магнитосферной конвекции в формировании структуры полярной ионосферы является общепризнанной. С другой стороны, разработка модели этих полей представляет интерес и в качестве самостоятельной задачи. Несмотря на достигнутый в последние годы значительный прогресс ионосферно-магнитосферной физики, связанный с совершенствованием техники экспериментов, в частности, спутниковых измерений, многие важные вопросы остаются без однозначных ответов. Большое количество экспериментальных данных, полученных в условиях, всегда уникальных и никогда не повторяющихся, требует анализа и интерпретации. В связи с внедрением современных вычислительных средств в практику ионосферных и магнитосферных исследований, интерес к методам математического моделирования, позволяющим на основе физических законов, сформулированных в виде соответсвующих уравнений,

получить ценную информацию о процессах, не ослабевает, а полученные этими методами результаты привлекаются для интерпретации данных наблюдений.

Цели и задачи исследования

В задачи работы входит разработка численной модели и алгоритма расчета крупномасштабных электрических полей магнитосферной конвекции. Проблема построения модели рассмотрена "на ионосферном уровне", когда источниками электрических полей являются продольные токи, осуществляющие электродинамическое взаимодействие в более сложной системе ионосфера - магнитосфера - солнечный ветер. Постановка задачи отражает специфику связи токонесущих ионосферных оболочек противоположных полушарий.

Возможность произвольного задания продольных токов в численной модели расчета распределения электрических полей поставила задачу разработки методики реконструкции их распределения по данным спутниковых измерений вариаций магнитного поля. Практическая цель математического моделирования магнитного поля состоит в восстановлении двумерной схемы продольных токов по отдельному пролету спутника. При этом используются измерения как зональной, так и меридиональной компонент магнитного поля.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами:

1) Разработана численная модель и алгоритм расчета глобального распределения электрического потенциала в ионосфере З^мли с корректным учетом ассиметрии между полушариями в распределении проводимости и продольных токов.

2) Проведен расчет картин конвекции в северном и южном полушариях, возбуждаемой системами продольных токов, наблюдаемых в спокойных геомагнитных условиях при |Ву|>|Вг|, а также экстремально спокойных условиях, так называемом . базовом состоянии магнитосферы, при Ву«Вг«0, как для равноденствия, так и для солнцестояния.

3) Получено распределение электрических полей в области дневного каспа для ряда схем продольных токов, отражающих их зависимость от азимутальной компоненты межпланетного магнитного поля. Продемонстрировано, что во всех случаях распределения меридиональной компоненты электрического поля, которая соответствует зональной части конвективного движения, весьма схожи. Зональная компонента электрического поля, соответствующая меридиональной части конвективного движения, напротив, является более чувствительной к различиям в схемах продольных токов.

4) Разработан новый методологический подход к интерпретации данных спутниковых измерений магнитного поля. Впервые схема двумерного распределения продольных токов реконструируется по отдельному пролету спутника на основе анализа зональной и меридиональной компонент магнитного поля.

5) Реконструированы распределения продольных токов в полуденном секторе при четырех пролетах спутника Ореол-3, когда наблюдались значительные флуктуации зональной и меридиональной компонент магнитных возмущений.

Практическая ценность работы определяется разработкой эффективного программного средства расчета распределения глобальных электрических полей с корректным учетом асимметрии

между полушариями в распределении проводимости и продольных токов, а также разработкой новой методики реконструкции продольных токов с использованием зональной и меридиональной компонент магнитного поля, измеряемого спутниками и ее реализацией на ЭВМ.

Объект исследования и источники данных. Объектом изучения является электромагнитное поле, существующее в околоземном пространстве. В качестве экспериментальных данных использованы магнитные измерения спутника Ореол-3 за 14/15 октября 1981 года.

Аппробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях "Geocosmos" (С.-Петербург, 1996 и 1998 гг.), 1-st Alfven conference "Low-Altitude Investigation of Dayside Magnetospheric Boundary Processes" (Kiruna, 1996), 8-th Scientific Assembly of IAGA (Uppsala, 1997), "Dynamics of the magnetosphere and its coupling to the ionosphere on multiple scales from INTERBOLL" (Звенигород, 1999), а также на семинарах отдела геофизики ААНИИ и итоговых сессиях Ученого Совета ААНИИ с 1995 по 1998 гг.

Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 12 работах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Полный объём диссертации составляет 123 страницы, из них текст - 88 страниц, иллюстрации - 24 страницы, список литературы занимает 11 страниц и включает 107 наименований.

ГЛАВА 1. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ГЛОБАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА В* ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ.

1.1. Проблемы моделирования электрических полей, генерируемых продольными токами.

Среди явлений, наблюдаемых в полярной ионосфере и оказывающих непосредственное воздействие на формирование ее структуры, конвекция плазмы является одним из наиболее важных. В [3] отмечается значительный прогресс в исследованиях высокоширотной ионосферы и подчеркивается «большая, в ряде случаев решающая роль горизонтального переноса ионосферной плазмы и, соответственно, роль электрических полей магнитосферного происхождения». Магнитосферно-ионосферная конвекция является следствием пересоединения силовых линий межпланетного магнитного поля с геомагнитным полем на магнитопаузе, в хвосте магнитосферы, а также процессов вязкого трения на магнитопаузе [97]. В бесстолкновительной плазме наличие электрических полей, поперечных к магнитному полю, проявляется в конвекционном движении плазмы со скоростью электрического дрейфа У=(ЕхВ)/В/В. Пространственное распределение электрических полей в ионосфере можно представить в виде конвективной системы, где линии конвекции тождественны изолиниям потенциала электрического поля.

1.1.2. Влияние межпланетного магнитного поля на структуру конвекции.

Структура конвекции во многом определяется величиной и ориентацией межпланетного магнитного поля [24, 49, 58, 66, 70]. Исследованию конвективных систем при южной (Вг<0) компоненте ММП посвящены работы [60, 72, 74, 75]. При Вг<0 пересоединение с вертикальной компонентой ММП вызывает двухвихревую конвекцию с наличием потока через полярную шапку, направленного от Солнца. При северном ММП (Вг>0) конвекция в шапке направлена к Солнцу. Центры конвективных вихрей находятся на утренней и вечерней границах шапки. Размер шапки сильно зависит от знака Вг. При Вг>0 шапка становится меньше, расстояние между центрами вихрей уменьшается^. Также указывается [45, 68, 72], что при северной ориентации ММП наблюдаются от одного до нескольких конвективных вихрей, как симметричных, так и асимметричных. Влияние азимутальной компоненты ММП обнаружено Свальгардом [98] и Мансуровым [78] при статистическом исследовании секторной структуры ММП и магнитного поля Земли. Это влияния выражается, в частности, в появлении асимметрии распределения электрического потенциала в северном и южном полушариях. Вопрос обсуждался затем в целом ряде работ. В [67] представлена эмпирическая модель электрического поля в северном полушарии, полученная в результате усреднения спутниковых измерений при 3+<Кр<4-. Для южного полушария картина конвекции такая же, если изменить знак Ву компоненты ММП. В [60] получена эмпирическая модель конвекции по усредненным 20-минутным магнитометрическим данным Гренландской цепочки для лета в северном полушарии при северной ориентации ММП. В рамках этой модели получены результаты,

показывающие зависимость картины конвекции от By, сходные с [67]. В [47, 51] статистическая информация о влиянии Ву получена по данным дигизонда. В [80] представлен анализ термосферных ветров, показывающий, что существует влияние By на нейтральную атмосферу. Что касается Вх-компоненты, то ее влияние считается более слабым по сравнению с другими компонентами ММП [47]. Так, в [50] обсуждалась роль Вх в различии конвективных вихрей в обоих полушариях в контексте теории пересоединения. В ряде работ указывается на различие в конвекции в зимней и летней полярных шапках, являющееся следствием либо зимнего понижения проводимости, либо несимметричного пересоединения. Так, в [46] показано, что при северной орентации ММП конвекция в зимней шапке менее упорядочена, чем в летней. Картины конвекции в полярных шапках для определенных моментов времени представилось возможным получить с разработкой AMIE (assimilative mapping of ionospheric electrodynamics technique) методики [90, 91]. В ее рамках оцениваются проводимость высокоширотной ионосферы, электрические поля и токи путем комбинации наземных и спутниковых измерений с учетом заданных начальных условий для конфигурации электрического поля. Каждое наблюдение соответствующим образом взвешивается, и рассчитывается электрическое поле в каждой точке сетки, покрывающей полярные области.

1.1.2. Расчет электрических полей, генерируемых продольными токами.

В большинстве работ, основанных на измерениях магнитного и электрического полей, используется информация отдельных пролетов

и

спутника, измеряющего поля только вдоль траектории, либо статистический анализ большого числа наземных и спутниковых данных, хотя недостатком первого подхода является пространственная ограниченность измерений, а при статистистическом анализе могут быть осреднены и потеряны мелко- и среднемасштабные особенности распределения полей и токов. Актуальной является дальнейшая разработка численных моделей расчета глобальных электрических полей.

Структура электрических токов, обеспечивающих магнитосферно-ионосферное взаимодействие, может быть рассчитана с помощью уравнения неразрывности:

divJ - 1ц • sin х

где

i"

j горизонтальные токи, текущие в ионосфере, / плотность продольных токов, X магнитное наклонение.

Ионосфера аппроксимируется тонкой сферической поверхностью с заданными на ней значениями тензора интегральной по высоте проводимости I. В стационарном случае электрическое поле потенциально:

Ё = -gradU

Учитывая закон Ома

J = Z(-VC/)

можно записать уравнение неразрывности

и найти распределение потенциала, которое полностью определяется распределением продольных токов, когда в качестве области растекания токов рассматривается вся сфера.

1.1.3. Выбор граничных условий