Электродинамическая модель низкоширотной ионосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 550.388.2

Белов Михаил Владимирович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НИЗКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1997

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте при Томском государственном университете

Научный руководитель: д. ф.-м. н., проф. Колесник А.Г.

Официальные оппоненты:

д. ф.-м.п., профессор Никитин М.А.

д. ф.-м.н., профессор Фортес В.Б.

Ведущая организация:

Институт солнечно- земной физики СО РАН

Защита состоится ШЯ^РЛ 1997г. в 14.30 час. на заседании Диссертационного совета К Обо.53.3 по присуждению ученой степени кандидат» физико-математических наук в Томском государственном университете (634050, г.Томск, нр. Ленина, 36).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан Ученый секретарь Диссертационного совета

1997г.

Дейкова Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование ионосферных электрических полей и токов составляет содержание весьма обширной области физики верхних слоев земной атмосферы. Объяснение совокупности данных об электродинамических процессах в ионосфере является важной задачей теории ионосферных токов, получившей название "динамо- теории". Главной причиной появления токов в ионосфере на средних и низких широтах является направленное движение ионосферного газа под воздействием термических, гравитационных, приливных и других сил. Основной токонесущий слой ионосферы располагается на высотах ~ 100 -160кл над Землей, где существенно различна степень замагничен-ности заряженных компонент ионосферного газа (электронов и ионов), и геомагнитное поле практически "вморожено" в электронный газ. Ионы, наоборот, эффективно увлекаются нейтральными частицами за счет большой частоты столкновений друг с другом. Различный характер движения ионов и электронов приводит к возникновению системы электрических токов в ионосфере. Движение заряженных частиц в крайне неоднородной проводящей среде, подверженной значительным изменениям с течением времени, служит причиной появления там электрических полей поляризации. Это приводит к сложной зависимости ионосферной токовой системы от процессов, определяющих состояние верхней атмосферы - термодинамических, фотохимических, метеорологических и т.п.

Исследование электродинамических процессов в ионосфере осложняется тем, что ионосфера не является изолированной системой. Как часть околоземного космического пространства она тесно взаимодействует как с нижележащими слоями атмосферы, так и с магнитосферой, что так же влияет на распределение электрических полей и токов в ионосфере.

В свою очередь электродинамические процессы в ионосферной плазме способны влиять на динамику ионосферного газа, а вызываемые ими такие эффекты, как электрический дрейф заряженных компонент, может приводить к значительным пространственным перераспределениям его составляющих компонент. Особенно сильно эти эффекты проявляются в низкоширотной области ионосферы, где горизонтальное расположение силовых линий магнитного поля Земли и особенности в динамике термосферного ветра приводят к эффекту усиления тока в восточном направлении, получившем название

"экваториальной электроструи".

Поэтому надежные знания о механизмах формирования ионосферной токовой системы на средних и низких широтах необходимы как для построения физических моделей верхней атмосферы в естественных условиях и при активных воздействиях, для исследования физической природы взаимодействия различных атмосферных слоев, так и для решения ряда прикладных задач: разработки и эксплуатации аэрокосмических систем; обеспечения работы систем связи, использующих ионосферное распространение радиоволн; совершенствования методов долгосрочного прогноза погоды и климата; изучения состояния околоземного космического пространства; оценки возможных направлений деградации природной среды из- за человеческой деятельности и экологических последствий глобальных изменений планетарных процессов.

Вопросы, связанные со всесторонним анализом электродинамических процессов в ионосфере, традиционно занимают важное место в международных программах и проектах геофизических и космических исследований. Это является свидетельсвом того, что исследования электродинамических процессов в ионосфере является актуальной и важной проблемой, имеющей большое научное и прикладное значение.

Однако, несмотря на несомненную важность, изучение электродинамических процессов в ионосфере не находится на должном уровне как в экспериментальном, так и в теоретическом плане. Экспериментальное изучение затруднено высокой стоимостью современных инструментальных комплексов, что существенно ограничивает их количество, неопределенностями в интерпретации результатов измерений, нерегулярностью и слабой координацией наблюдений. Сложность протекающих в ионосфере процессов, их многофакторность и многомерность, наличие множества источников генерации ионосферных токов не позволяют решить задачу электродинамики ионосферной плазмы в общей трехмерной постановке. Понижение размерности задачи приводит к тому, что созданные модели в состоянии описывать только часть электродинамических процессов, протекающих в ионосферной плазме.

Таким образом, проблема создания моделей ионосферных токовых систем, способных более полно описывать электродинамические свойства ионосферной плазмы, остается до настоящего времени актуальной. В частности, в математическом моделировании ионосферных электродинамических процессов слабо развиты возможности ис-

следования вариаций электрических полей и токов с высотой, а также оценка вклада различных механизмов в формирование ионосферной токовой системы.

Целью диссертационной работы является:

1. Создание физико- математической модели электрических полей и токов ионосферной плазмы, позволяющей описывать их высотно-долготное распределение на высотах термосферы в области средних и низких широт, способной учитывать влияние термосферных ветров и токов магнитосферного происхождения на формирование ионосферной токовой системы.

2. Исследование зависимости пространственно- временного распределения электрических полей и токов ионосферной плазмы от динамики термосферных ветров и роли различных механизмов формирования ионосферной токовой системы в зависимости от высоты.

3. Определение роли токов магнитосферного происхождения в формировании суточной изменчивости компонент электрического поля в области экваториальной электроструи для различных сезонов года.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- создана физико- математическая модель электрических полей и токов ионосферной плазмы в области средних и низких широт, способная описывать их высотно- долготные вариации в зависимости от динамики термосферных ветров и токов магнитосферного происхождения;

- дана физическая интерпретация и установлены роли отдельных механизмов в формировании вертикальной и зональной компонент электрического поля и плотности тока в низкоширотной ионосфере при изменении динамики нейтральных компонент ионосферной плазмы и тензора ионосферной проводимости;

- исследованы и произведены количественные оценки роли термо-сферного ветра и токов магнитосферного происхождения в формировании компонент электрического поля.

Научная и практическая ценность работы:

- разработанная модель позволяет детально исследовать распределение электродинамических параметров ионосферной плазмы и роль различных механизмов в формировании ионосферной токовой системы в зависимости от высоты;

- в результате численных экспериментов получены пространствен-

ные профили вертикальных компонент электрического поля и токов, что позволяет оценить их вклад в изменение как динамического режима ионосферного газа, так и в пространственные вариации его состава;

- разработанная модель позволяет рассматривать ионосферу, с точки зрения электродинамики, не только как изолированную систему, но и как часть околоземного космического пространства, открытого для воздействий как с нижележащей атмосферой, так и с вышерасположенной магнитосферой.

На защиту выносится:

1. Физико- математическая модель электрических полей и токов ионосферной плазмы в области средних и низких широт, способная описывать их высотно- долготные вариации в зависимости от динамики термосферных ветров и токов магнитосферного происхождения.

2. Результаты численных экспериментов по исследованию роли различных механизмов формирования электрических полей и токов в низкоширотной ионосфере в зависимости от их пространственно-временных вариаций, а именно:

а) количественная оценка роли токов Педерсена и Холла в формировании вертикальной и зональной компоненты объемной плотности тока для различных высотных слоев низкоширотной ионосферы;

б) рост с высотой роли вертикальной компоненты термосферного ветра в формировании зональной компоненты электростатического поля (на высотах Е- области она может качественно изменять картину суточного хода зональной компоненты электростатического поля);

в) токи магнитосферного происхождения создают предпосылки для формирования "послезакатного пика" в зональной компоненте электрического поля; динамо эффект ионосферного нейтрального ветра в состоянии усилить вклад магнитосферных источников и сформировать "послезакатный пик", что характерно для распределения нейтральных ветров и период равноденствия, или полностью скомпенсировать его роль, что проявляется в периоды зимнего и летного солнцестояния.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сделанных в работе определяется следующим:

- соответствием полученных результатов модельных расчетов основным известным закономерностям, заложенным в основу модели;

- проверкой возможности разработанной модели по качественному

представлению всего многообразия ранее надежно установленных эффектов и явлений, присущих низкоширотной ионосфере, и количественной оценкой точности описания основных параметров, проведенных на базе сравнения полученных результатов с большим рядом экспериментальных данных и с результатами, полученными па других моделях;

- проведением ряда тестовых расчетов, показавших устойчивость разработанного численного алгоритма.

Взаимоотношения с соавторами. Основные результаты диссертации, опубликованные в 12 работах, являются оригинальными и получены лично автором. Совместно с руководителем была определена общая программа исследований и ее отдельные этапы. Разработка физико- математической модели электрических полей и токов ионосферной плазмы в области средних и низких широт и эффективного численного алгоритма ее реализации, написание пакета прикладных программ и проведение численных расчетов на ЭВМ были проведены автором лично. Разработка модели нейтрального ветра и параметров термосферного газа проводились совместно с Королевым С.С.

Апробация работы. Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе- семинаре молодых ученых " Математическое моделирование в естествознании и технологии" (Светлогорск, 1988г.), IV Международном симпозиуме по солнечно- земной физике (Самарканд, 1989г.), Международной конференции по физике солнечно- земных связей (Алматы, 1994г.), Международной конференции "100 - летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники." (Москва, 1995г.), XIX семинаре "Физика авроральных явлений", (Апатиты, 1996г.), Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно- земной физики", посвященном 60- летию регулярных ионосферных исследований в России (Томск, 1996г.), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн, (Улан- Уде, 1996г.), International conference on probleras of geocosmos (St.- Petersburg, 1996.),Всесоюзной научной конференции "Физические проблемы экологии (физическая экология)" (Москва, 1997)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 17 рисунков и списка литературы из 118

наименований. Общий объем - 118 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель, направление исследований, новые научные результаты, их научная и практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава является обзорной. В ней описаны основные методы экспериментального наблюдения ионосферных электрических полей и токов. Проводится анализ преимуществ и недостатков каждого из методов. Рассматриваются основные подходы в математическом моделировании средне- и низкоширотных токовых систем и дается их критический анализ. Показано, что:

-экспериментальные наблюдения за электрическими полями и токами ионосферной плазмы хотя и позволяют определять основные закономерности их распределения, не достаточны для оценки степени взаимодействия электрических полей и токов с другими характеристиками ионосферной плазмы;

- известные подходы в математическом моделировании электродинамических параметров ионосферы в ряде случаев используют допущения, которые способны исказить реальную картину распределения электрических полей и токов;

- по литературным источникам практически отсутсвует информация о моделях, описывающих вертикальное распределение электродинамических параметров в нкзкоширотной ионосфере.

Вторая глава посвящена формулировке физико- математической модели электрических полей и токов в низко- и среднеширотной ионосфере, которая позволяет описывать высотно- долготное распределение электрических токов в ионосферной плазме в области высот 80-250кл1, источниками генерации которых служат движения нейтрального газа и токи магнитосферного происхождения.

На основе уравнений движения заряженных компонент ионосферного газ получены выражения для компонент плотности тока в ди-польной системе координат, связанной с магнитным полем Земли (и, q, <р). В этой системе координат орта и меняется перпендикулярно вектору магнитного поля Земли в плоскости геомагнитного меридиана, q меняется вдоль магнитной силовой линии, гор-в направлении, перпендикулярном первым двум, и совпадает с геомагнитной долготой.

Учитывая, что в рассматриваемой области ионосферы проводимость вдоль магнитной силовой линии на два порядка величины больше, чем поперечные, а также особенности ее распределения вдоль магнитной силовой линии, поперечные компоненты плотности тока удается выразить через токовую функцию (ф) и, привлекая условие бездивергентости электрического тока, записать дифференциальное уравнение для токовой функции в днполыгой системе координат:

где коэффициенты А, В, С, D зависят от тензора ионосферной проводимости, а свободный член F зависит от компонент нейтрального ветра. Это дифференциальное уравнение представляет собой уравнение эллиптического типа. Поэтому, чтобы получить единственное решение, небходимо дополнить его двумя краевыми условия по каждой координате (и, ф). При задании граничного условия по долготе (у?) используется условие периодичности искомой функции ф(<р) = Ф(<р+ 2я-). На нижней границе (h = 80км) используется условие непротекания токов из ионосферы в непроводящюю атмосферу, которое выполняется при постоянстве токовой функции вдоль всей нижней граници (фи=80 = const = 0, 0 < уэ < 2тг). Показано, что задание градиента токовой функции между верхней и нижней границами рассматриваемой области аналогично заданию соответствующей интегральной компоненты плотности тока, которую можно трактовать, применительно к рассматриваемой области, как ток, внесенный в область решения извне. Из этого следует, что если рассматривать модельную задачу, когда источником генерации ионосферных токов является только термосферный ветер, то необходимо потребовать на верхней границе фи=2йо = 0, 0 < <р < 2тт. Если же необходимо учитывать токи, являющиеся внешними по отношению к исследуемой области (токи магнитосферного происхождения), то необходимо задать соответствующее распределение токовой функции на верхней границе (^|ы=25о = /(¥>), 0 < ip < 2тг).

Кроме того, сформулированное модельное уравнение и краевые условия дополнены моделью среды, которая позволила задать параметры модели, связанные с основным источником генерации электрических полей и токов - моделью термосферного ветра.

Главным преимуществом разработанной модели является то, что она в состоянии описывать распределение вертикальной компонен-

ты электрических полей и токов в низкоширотной ионосфере и более корректно, по сравнению с известными моделями,.учитывает источники генерации ионосферной токовой системы.

В третьей главе сформулирован и обоснован алгоритм численного решения модельного уравнения. При разработке алгоритма решения модельного уравнения применялась двухслойная итерационная схема в неявном виде. В результате чего решение двумерного уравнения модели свелось к последовательному решению двух локально-одномерных уравнений, для решения которых использовался метод прогонки. Разностный аналог модельного уравнения в конечном виде имеет второй порядок точности и не имеет ограничений на шаги по координатной сетке, что позволило создать экономичный вычислительный алгоритм.

На примере ряда тестовых задач показано, что выбранный алгоритм численного решения удовлетворяет условиям монотонности и не имеет ограничений на шаги по координатной сетке. Исходя из этого определено оптимальное количество узловых точек, удовлетворяющих характерным размерам задачи. Установлено, что при расположении верхней границы выше 250км граничное условие не влияет на распределение искомых значений токовой функции в рассматриваемой области. Также показано, что задание градиетна токовой функции между верхней и нижней границей можно трактовать как "внешний" источник электрического тока. При этом установлено, что влияние токов магнитосферного происхождения на формирование экваториальной токовой системы наибольшее в областях с максимальными градиентами тензора ионосферной проводимости.

В четвертой главе обсуждаются результаты расчетов электрических полей и токов для низкоширотной ионосферы в области высот 80- 250к.и, полученные на модели, физическое обоснование и структура которой представлены в предидущих главах.

При анализе и интерпретации результатов модельных расчетов преследовались две основные цели. Это - проверка степени адекватности модели и выявление роли ветрового режима термосферы и токов магнитосферного происхождения в формировании экваториальной токовой системы.

На основе сравнения модельных расчетов и экспериментальных данных показано, что разработанная модель имеет достаточно высокую степень адекватности, не уступающую имеющимся эмпирическим и математическим моделям. Основные отличия (до 40 %) наблюдаются в вечерние часы на высотах Р области ионосферы.

и

Исследована роль различных ионосферных параметров в формировании зональной и вертикальной компоненты плотности электрического тока и показаны различия в механизмах их формирования. Определены зависимости пространственного распределения электродинамических параметров ионосферной плазмы от среднемассового переноса нейтрального газа, в частности, от вертикальной компоненты вектора скорости нейтрального ветра. Показана роль термо-сферного ветра и токов магнитосферного происхождения при образовании "послезакатного пика" зональной компоненты электрического поля для различных сезонов года.

В заключении прнведепы основные результаты проведенных исследований и сделанные по ним выводы.

1. Сформулированы и обоснованы уравнения, описывающие крупномасштабные вариации электрических полей и токов ионосферной плазмы в области замкнутых силовых линий. Разработанная модель описывает высотно- долготное распределение электродинамических параметров ионосферы в области высот 80-250км и учитывает влияние магнитосферных источников тока на формирование низкоширотной токовой системы.

2. Разработан экономичный алгоритм численного решения системы уравнений модели в основу которого положена двухслойная итерационная схема в неявном виде. Это позволило свести решение двумерного уравнения модели к последовательному решению двух локально- одномерных уравнений, для решения которых использовался метод прогонки. Разностный аналог модельного уравнения в конечном виде имеет второй порядок точности и не имееет ограничений на шаги по координатной сетке. Алгоритм решения реализован как пакет прикладных программ на алгоритмических языках С++ и FORTRAN, что позволило использовать созданную модель в различных модификациях и производить расчеты для различных гелиогеофизических условий.

3. Показана адекватность разработанной модели на основе сравнения результатов численных расчетов с экспериментальными данными, полученными различными методами, а также с данными, полученными из эмпирических и математических моделей других авторов. Максимальные расхождения между модельными расчетами и экспериментальными данными наблюдаются в вечерние часы и не превосходят 40% на высотах F области ионосферы.

4. Проведены численные эксперименты на разработанной модели по исследованию зависимости формирования низкоширотной ионо-

сферной токовой системы от динамики термосферного ветра и токов магнитосферного происхождения. В результате численных экспериментов показано, что:

- за формирование зональной компоненты ионосферного электрического тока ниже 120 к.« отвечают токи Холла. В интервале высот 120- 150к.и вклад токов Педерсена и Холла соизмерим, а выше 150км доминирующее влияние оказывает ток Педерсена. Перенос зарядов в вертикальном направлении приводит к появлению компенсационного тока Педерсена, Это обуславливает малые, по сравнению с , значения вертикальной компоненты плотности тока;

- влияние вертикальной компоненты термосферного ветра на распределение вертикальной компоненты электростатического поля может проявляться на высотах динамо;

- несмотря на малость по величине значений вертикальной компоненты термосферного ветра, по сравнению с горизонтальными компонентами, ее вклад в формирование зональной компоненты электростатического поля значителен и увеличивается с ростом высоты;

- токи магнитосферного происхождения создают предпосылки для формирования "послезакатного пика" в зональной компоненте электрического поля. Однако динамо- эффект ионосферного нейтрального ветра в состоянии усилить вклад мапштосферных источников ц сформировать "послезакатный пик", что характерно для распределения нейтральных ветров в период равноденствия, или полностью скомпенсировать его роль, что проявляется в периоды зимнего и летного солнцестояния.

Автор благодарен руководству отдела радиофизики, отдела геофизики и экологии СФТИ, кафедры радиофизики, кафедры космической физики и экологии ТГУ, сотрудникам этих подразделений за помощь в получении и обсуждении результатов, изложенных в диссертации, за полезные дискуссии и внимание, способствовавшие выполнению диссертационной работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Белов М.В., Колесник А.Г., Королев С.С. Электрические поля

ионосферной плазмы в области низких широт.// Изв. Вузов

"Физика", -1996, -N4, с. 41- 47.

2. Белов М.В., Колесник А.Г., Королев С.С. Оценка вклада то-

ков магнитосферного происхождения в формирование токовой

системы экваториальной ионосферы. // Геомагнетизм и аэрономия, -1996, -N5, с. 158- 161.

3. Белов М.В., Колесник А.Г. Численная реализация модели элек-

тростатического потенциала в нижней ионосфере. // Всесоюзная школа- семинар молодых ученых и специалистов "Математическое моделирование в естествознании и технологии", тезисы токладов. Светлогорск. 1988. с.62- 63.

4. Белов М.В., Колесник А.Г. К вопросу о распределении электри-

ческих полей в низкоширотной ионосфере. //IV симпозиум КА-ПГ по солнечно- земной физике, тезисы докладов. Самарканд. 1989. с.53.

5. Белов М.В., Колесник А.Г., Королев С.С. Моделирование трех-

мерного распределения электрического поля на высотах термосферы для области средних и экваториальных широт. // Международная конференция по физике солнечно- земных связей, тезисы докладов. Алматы. 1994. с.

6. Белов М.В., Колесник А.Г., Королев С.С. Вклад ветрового ре-

жима термосферы в электродинамические свойства среды.// Международная конференция " 100 - летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники.", тезисы докладов. Москва. 1995. с. 113114.

7. Белов М.В., Колесник А.Г., Королев С.С. Оценка вклада то-

ков магнитосферного происхождения в формирование токовой системы низкоширотной ионосферы.// XIX семинар "Физика авроральных явлений", тезисы докладов. Апатиты. 1996. с. 22.

8. Белов М.В., Колесник А.Г., Королев С.С. Вклад термосферных

ветов в формирование электрических полей и токов экваториальной ионосферы.// Международнй симпозиум "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно- земной физики", посвященный 60- летаю регулярных ионосферных исследований в России, тезисы докладов. Томск. 1996. с. 61.

9. Белов М.В. Влияние вертикальной составляющей термосферного

ветра на формирование зональной компоненты электрического

поля в экваториальной ионосфере.// Российская научно- техническая конференция по дифракции и распространению волн, тезисы докладов. Улан- Уде. 1996. с. 42.

10. Belov M.V., Koksnik A.G., Korolev S.S. Effect of the wind regime of the thermosphere to the electrodynamic properties of the medium.// International conference on problems of geocosmos, abstract. 1996. p. 51.

11. Белов M.B., Колесник А.Г., Королев С.С. Оценка роли термо-

сферного ветра и магнитосферных токов в формировании ионосферной токовой системы на низких широтах. // Всесоюзная научная конференция "Физические проблемы экологии (физическая экология)", тезисы докладов. Москва. 1997 с. 9

12. Белое М.В. Изменения с высотой электродинамических параме-

тров низкоширотной ионосферы в зависимости от среднемассо-вого переноса нейтрального газа. // Всесоюзная научная конференция "Физические проблемы экологии (физическая экология)", тезисы докладов. Москва. 1997 с. 8