Механизмы суббурь в ионосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ



ММ

АКАДИ.Ш НАУК СССР ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНШЗМА^ ИОНОСФЕРЫ

и распространения радиоволн

На правах рукописи удк'550.388.2

ДЁМИНОВ Марат Гаруиович

МЕХАНИЗМЫ СУБЕУРЬ В ИОНОСФЕРЕ 01.04.12 - геофизика .

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора (физико-математических наук

Москва 1989

Работа ¡ШПЭЛН9И& в Ин&здтудо аеииого ыигаеъ'иана, ионосферы

'я распространения радгюайл»; Ш СССР

Официальные оппоненты: доктор•• 4азико-матедатач^ских наук

А.Г.КОЛЕСНИК.

доктор физико-математических наук Е,В,МИШИН

доктор физико-математических наук, профессор Г.В.ХАЗАНОВ .

Ьйдущая организация: Полярный геофизический институт Кольского филиала АН СССР

Защита состоится _ " 1989г. в ______ час

на заседании спвщ|адиэиррва»шогр совета Д.002*83.01 при Институте осыиого магнетизма, ионосферы и распространения

радиоволн АН, СССР /

Адрес; 1ДЕ092, г.Троицк, Московская обл., ИЗМИРАН

.4 *

Проезд: метро ст. Теплый Стан, автобус №31,

остановка ИЗШРАН " '

С диссс!У?ышйй маяно' ознакомиться г> библиотеке ИЗМИРАН

Аьхорзфср&т разослан "__" ... . ' 1969г.

УчьшЙ са.фбжарь специализированного

совета при ИЗШРАН ■ кандидат физико-математических наук

о:

0Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Суббуря - комплекс геофизических явлений, связанных с диссипацией энергии,поступающей или уже накопленной в магнлтсс-ферз из солнечного натра. Ионосферными проявлениями суббури являются суббуря в поглощении радиоволн (или суббуря в нижней ионосфере), суббуря в рядиосиянглх (или суббуря и тонкой, мелкомасштабной структура ионосферы), суббуря в ионосфере (или суббуря в крупномасштабной структуре ионосферной плазмы на высотах Е-слоя и выше, включая плазмосферу). Суббур» в ионосфере часто называют еще деформацией или модификацией ионосферы в периоды суббурь.

В диссертации развита теория и определены механизмы суббури в ионосфере, аврорйльных, субавроралъних, средних и экваториальных широт.' Эта теория построена на основе развития единого аналитического под ода к решению данной проблемы. ,

Актуальность проблемы. Хородо известно, что проблема теоретического описания и выяснения механизмов суббури в ионосфере является одной из ключевых в физике ионосферы и ионосферно-маг-нитосферных взаимодействий. При решении данной проблемы важно, чтобы теория обладала физической наглядностью и точность«, приемлемой для реиения.обратных задач физики ионосферы. Это связано со следующими научными и прикладными аспектами проблемы суббури в ионосфере.

- Суббуря"в ионосфере - наиболее часто реализуема-! глобальная модификация ионосферы, которая приводит к изменению условий распространения радиоволн и часто является причиной срыва радиосвязи. Она монет иметь разный характер в различных областях ионосферы и очень широкий набор характерных времен кодификации ионосферы: от.нескольких минут до суток, а в плазмосфере до нескольких десятков сугок. Сложность явления приводит к тому, что без физически наглядного понимания природы суббури в ионосфере часто не ясно даже как систематизировать данные наблюдений. Поэтому количественные эмпирические модели даже отдельных проявлений суббури в ионосфере только еще начинают создаваться- Тем не менее, обычно характеристики модификации ионосферы в периоды суббурь известны лучше, "чем-причины.,обеспечивающие эту модификацию.

Так, не били поняты механизмы даже наиболее ярких,сильных изменений з ионосфере; аномальное увеличение электронной концентрации в полярной шапке, исчезновение Р2-слоя в аврораль-ной области', образование поляризационного джета с полями более 100 мВ/м в области гласного ионосферного провала и сильное изменение ионного состава в этой области, аномальный подъем . Р-слоя над экватором. Для определения количественных характеристик ьтих механизмов по ионосфзрным данным необходимо, чтобы теоретическая модель ионосферы обладала точностью, приемлемой для решения обратных задач физики ионосферы, При анализе, механизмов суббурь не менаи важным является решение прямых задач физики ионосферы и ионолферно-магнитосферного"взаимодействия. Тем более, что часто несколько причин ионосферных суббурь могут действовать одновременно. .

- Но менее важными являются и прогностические аспекты данной проблемы, поскольку разработана'а методы прогноза суббури в ионосфере отсутствуй.. Поэтому на первом этапе важно дать те-' орзтичзское объяснение .или предсказать гелио-геофиэические условия (уровень солнечной активност: , сезон, местное время, область локализации), при которых вероятность реализации, наиболее сильных изменений в ионосфере в периоды суббурь максимальна и, тем самым, довести результаты теории до прогностического уровня. Та$)й прогноз условно можно назвать долгосрочным прогнозом. Ясно, что для использования теории в прогнозировании динамики ионосферы по ходу развития субоури (краткосрочный прогноз) эта таорг : должна быть оперативной, поскольку должна предусматривать возможность коррекции модели по ходу развития суббури.

Дня решения данной проблемы ныли развит единый методический подход, который можно сформулировать как аналитический подход в физике и моделировании суббурь в ионосфере, поскольку он основан на развитии и применении аналитических ь-.етодов решения уравнений, описывающих распределение концентраций зар*:«енных частиц ионосферной плазмы,и уравнений для причин суббури в ионосфере. Такие ращения названы теоретическими (аналитическими) моделями, Прь!-'постановке задач характеристики высыпающихся и захваченных частиц плазменного слоя принимались из теории суббури в магнитосфере или по данным измерений, или определялись

на основе решения обратных задач физики ионосферы с помощью аналитической модели ионосферы. Поэтому основное внимание было уделено построению теоретически модели для двух причин ионосферной суббури: электрических.Полей кагнитосферной конвекции и крупномасштабно внутренних гравитационных волн (ВГВ). атмосферы, генерируемых в периоды суббурь. Аналитические модели электронной концентрации и ионного состава, 'электрического поля магнитосферной крнвеКпии и крупномасштабной ВГВ, совместно с аналитической аппроксимацией (моделью) скорости ионизации атмосферы авроральНмми электронами, образуют совокупность связанных моделей для исследования суббури з ионосфере, которая названа теоретической моделью суббури в ионосфере.

Основное отличие от построенных ракез аналитических моделей ионосферы заключается в тем, что нами развивались'метода решения, свободнее от искусственного упрощения характера расп^-ределения контролк/увщих- ионосферу параметров, что обеспечивало оптимальное сочетание физической наглядности, оперативности и точности аналитических моделей.' Создание такой модели имеет и самостоятельное значениепоскольку она может быть Использована для анализа более широкого., чей суббуря, класса явлений.

Более конкретно цель работы была сформулирована следующим образом.

Цель работы:. ' ■.

1. Разработать методический подход в Исследовании механизмов суббурь в ионосфер©/'а именно, физически обосновать исходную систему уравнений и развить аналитические методы решения этих уравнений, которь:е обеспечивали бы физическую наглядность и поиемлемую для решения обратных, задач точность. .

2. Создать на основе этого подхода теоретическую модель суббури а ионосфере.

3. Разработать помощью этой модели механизм!,1 суббурь в ионосфере и тем самым:-

а) дать теоретическою интерпретацию основной последовательности событий з ионосфере в периоды Суббурь;

б) дать теоретическую интерпретацию наиболее сильных изменений в ионосфере в периоды суббурь;

в) бццелить Гелио-геофизичаскиэ условия, при. которых вероятность -реализации этих сильных изменений в ионосфере мзкей-

мальна.

Научная новизна .раб от и определяется постановкой, и- результатами решения проблемы* ,

I. Разработанная теоретическая модель суббурй в ионосфере предъявляет собой первую успеицуы:попытку построения модели, которая обеспечила оптимальное сочетание физической наглядности, оперативности и точности результатов теории.. Новыми являются « составляющие этой кодели;

1.1. Аналитическая модель распределения концзнтраций заряженных частиц ионосферной опасны при корректном учете контролирующих ионосферу процессов ьо все!,: реально наблюдаемом диапазоне их изменений. Она полу «на на основе систем*.: уравнений для многокомпонентной ионосферной плазми, в которой впервые одновременно учтены следующие процессы.переноса: диффузия, тер^одиффуэия» дройф из-за електрического поля к тесыос^ерно-го ветра, оЭДекты продольных токов ^оехмерней токовой системы. Эта модель позволила в1.„-рвь:е корректно определить вклад ряда процессов в перераспределение ионосферной плазмы,, например: сильного разогрева ионосферы на изк' нение ионного состава, продольных токов на перераспределение электронной концентрации. Р- области,г *

1.2. Аналитическая модель глобального; распределения электрического поля магнитосферяой конвекции б|, на разных стадиях, развития суббури, в которой впервые учтены связь ыезду Ем , прэдольньм током, ионосферной .«.' эффективной, магнитосфврной-Прово, ж.юстя.йИ, влиянп нестациона§иосш ионосферной- проводимости авроральной области: на Е^.

1.3. Аналитическая тдй&ь распространения; крупномасштабной; ВГБ. в. т-ермосферз, полученная, на основе уравнения для ВГВ', в которой, впервые одновременно, учтены нелинейность, дисперсия, молекулярные вязкость и. теплопроводность, изменения фоновых параметров тормосферн вдоль распространения БГВ.

Х.4. Аналитическая модель скорости, ионизации термосферы аароральнШа электронами, пригодная для любой модели термасфе-ры и позволяю^:«! оцзративно определять эту скорость для произвольного энергетического спектра этих электронов.

С помощью этой теоретической модели разработаны механизмы

еуббурь позволившие впервые:

2. Дать теоретическую интерпретацию и вьщелить гелио-гао-физические условия, при которых наблюдают л наиболее сильные изменения в ионосфере: аномальное увеличение электронной концентрации в полярной шапке; исчезновение Р2-слоя в аврораль-ной области; образование поляризационного джета с полями более 100 мВ/м в области главного ионосферного провала и сильные изменения ионного состава в этой области (увеличение относительного содержания ионов Ш ' на высотах 200-250 км более чем на два порядка); аномальный подъем Р-слоя над эквато-. ром.

3. Теоретически показать и дать обоснование; устойчивости распределения электронной концентрации в экваториальной плоскости вида {Я£/Я ) * внутри плазмосферы и в центральной части плазменного слоя к изменениям во времени электрического поля магнитосферной конвекции; зажной роли настационарности проводимости ионосферы авроральной области в перераспределении электрического поля магнитосфериой конвекции.

4. Дать объяснение впервые обнаруженных нами: явления

в Р2-слое ионосферы; усиления долготного эффекта в положении и форме главного ионосферного провала в первые сутки после окончания интенсивной суббури или бури а магнитном поле и предсказать сильный долготный эффект п положении плазмопаузы в это время.

Достоверность полученных в работе результатов определяется:

а) детальным физическим обоснованием исходных уравнений и принципов построения теоретической модели суббури в ионосфере; б) адекватностью теории, установленной в каждом конкретном случае путем сопоставления расчетов с результатами измерений по максимально возможному числу параметров; в) обнаруженными на основе теории новыми экспериментальными фактами.

На защиту зыносятся следующие основные положения:

I. Разработанный подход в исследовании суббурь в ионосфере , базирующийся на физически обоснованной системе исходных уравнений и методах построения аналитических решений этих уравнений, которые позволяют обеспечить физическую наглядность, оперативность и приемлемую для решения обратных задач

точностъ результатов теории:

2. Результат реализации этого единого методического подхода в ввде теоретической модели .суббури в ионосфере, представленной совокупностью взаимосвязанных моделей электронной кон-, центрацин и ионного состава, электрического поля магнитосфер-ной конвекции, крупномасштабной внутренней гравитационной волны и скорости ионизации атмосферы авроральиикп электронами.

3. Разработанные с помощью этой теоретической модели механизмы суббурь в ионосфере, позволившие:

а) дать теоретическую интерпретацию основной последовательности событий в ноносферз в периоды суббурь;

б) дать теоретическую интерпретацию наиболее сильных изменений в ионосфере в периоды суббурь, таких как: аномальное увеличение электронной концентрации над полярной шапкой, исчезновение Р2-слоя в авроральной области, аномально сильное изменение состава ионосферы на субавроральных широтах, сильный долготный эффект в конфигурации и положении ионосферного Провала, аномально высокий подъем Р-слоя над экватором;

в) выделить гелио-геофиэичрские условия, при которых вероятность реализации этих сильных изменений в ионосфере максимальна, и тем самым дове ти результаты теории до прогностического уровня.

Научная и практическая значимость работы определяется положениями, которые выносятся на защиту:

- разработанный Подход является основой для исследования широкого класса явлений, поскольку позволяет получать модели ионосферы практически для всего диапазона гелио-геофизических условий;

- теоретическая модель суббури в ионосфере позволила .определить последовательность, характеристики и относительную роль механизмов суббури в ионосфере, обеспечить оперативность и приемлемую точность"воспроизведения параметров ионосферы и, тем самым, создать основы для разработки методов прогноза суббурь в ионосфере.

Реал каация Увзультатов.Ре зудьтаты работы использовались в ДАНИИ, ИКФИА, ГОИ, СШТИ при проведении работ по проблемам физики околоземного космического пространства и отражены в отчетах по выполненным в ИЗМИРАН научно-исследовательским рабо-

там "Ионосферно-магнитосфзерыэ взаимодействия" (№гос.рег. 76059919), "Физика и пространственная структура ионосферной плазмы в возмущенных условиях" (№г с.рвг.01017463), "Пространственно-временная структура ионосферы Земли" ОГтос.рег. 01.86.0078167), в которых автор являлся научным руководителем или соруководителем.

Личный вклад автора. В диссертаций обобщены результаты,основное содержание которых отражено в 29 публикациях. В опубликованных в соавторстве статьях автору принадлежит, в основном, постановка задачи, включая выбор метода решения задачи, и совместный анализ полученных результатов. Многие из этих результатов вошли в выполненные под руководством автора каццццатские диссертации В.П.Кима, В.В.Хегая (соруководитель И.А.Жулин), Н.А.Килиф'арска (соруководитель Н.П.Бенькова), В.И.Бадина, А.Т. Карпачева, В.Н.Шубина. В статье с З.И.Баднным о динамике про-тоносферы, в статье с В.П.Кимом и В.Н.Шубиным о распределении, электрического поля магнитосферной конвекции, в статьях с Г.Ф. Деминовой, Ю.С.Ситновым и А.Я.Фельдштейном по экваториальной ионосфере вклад соавторов равный,

. Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных семинарах по моделированию ионосферы (Томск,1978; Тбилиси,1580; Иркутск,1984; Звенигород,1988) на Всесоюзных конференциях по физике ионосферы (Ростов,1974; Ашхабад,1976; Мурманск,1979), на симпозиумах и семинарах КАПГ (Ашхабад,1979; Сочи,1984; Калуга,1988), на Всесоюзном совещании по физике полярной ионосферы (Норильск,1980), на Всесоюзном семинаре "Актуальные вопросы изучения суббури"(Апатиты,1978,1981), на Всесоюзном совещании. "Полярная ионосфера и магнитосферно-ионосфе-рные связи" (Мурмаь'.'к,1984), на Всесоюзном совещании "Крупномасштабная структура субавроральной-ионосферы" (Якутск,1981), на Международной шкс э по физике ионосферы (Сочи,1983), на Генеральной ассамблее МАГА (Прага,1985), на Международном.симпозиуме КОСПАР (Эспоо, Финляндия,1988). ■ (

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем 379 страниц. Из них 286 страниц текста, 5С рисунка и 3 таблицы-на 5ь страницах, список литературы из 357 названий на 37 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы: обоснована актуальность; сформулированы цель работы и выносимые на защиту основные положения; кратко изложены научная новизна, научная и практическая значимость работы, степень личного участия автора в получении основных научных результатов, апробации работы и содержание диссертации.

ГЛАВА I ИОНОСФЕРНЫЕ ПРОЩСШ .

Эта глава посвящена получению и (или) выбору конкретного : ввда исходных уравнений для ионосферной плазмы, включая и конкретный вид коэффициентов скоростей ионизанионно-рекомбинаии-онных процессов и процессов переноса.

1.1. Ионизационно-рекомбинационные процессы. 3 этой разделе приведены использу мне в теории явные соотношения для ско- : ростей ионизационно-рекомбинацпонных процессов.

Дано сопоставление и сделан вы^ор зависимости коэффициента скорости фотоионизации от уровня солнечной активности (1,1.1).

Представлена аналитигзская модель скорости ионизации атмосферы авроральными электронами, которая основана на аналитической .аппроксимации результатов численного моделирования этого процесса с учетом вторичных электронов (1.1.2). Данная аналитическая модели пригодна дЛя ибой мо,.,эли термосферы и позволяет опера' ивно определять скорость : ионизац.ш для произвольного энергетического спектра этих электронов. Дано сопоставление этой модели с полученными рацее другими авторами. Там же обсуждены особенности изменения спектра авроральных электронов и скорости ионизации под действием продольного (вдоль геомагнитного поля) электрического поля,

Приреден краткий анплио й сделан выбор химических реакций, включая коэффициенты скоростей этих реакций, с участием электронов и ионов О«-!,М^, М^ 0+, Не+ и 0++ (1.1.3). При этом основное вшоание уделено ионно-молекулярным реакциям л/о*+М , 0**0^ О* *0 , которые определяют скорость рекомбинации р я электронной концентрации на высотах Р2-слоя, где

+ ) . Скорость пэряоЯ из отих реакций существенно меняется, если молекула л^ находится в колебательно-шзбужден-ном состоянии. Представлен простой способ учета этого обстоятельства.

1.2 Процессы переноса, В этом разделе представлен краткий вывод уравнений для концентраций заряженных частиц многокомпонентной ионосферной плазмы (1.2.2) и приведены уравнения для скорости 1 рмосферного ветра (1.2.3) и уравнений для температур электронов и ионов (1.2.4). Предварительно представлены явные соотношения для частот столкновений (1.2.1). Основное внимание уделено уравнениям для концентраций заряженных частиц ионосферной плазмы-уравнениям диффузии, в которих с помощью решения системы уравнений движения и Максвелла исключено электрическое поле поляризации плазмы, а скорости движения выражены явно череэ диффузию, термодиффузию, дрейф из-за внешнего электрического поля и Термосферного ветра.

Краткий вывод системы уравнений диффузии представлен в ' ■ 1.2.2 для достаточно общего случая. Наибольшее внимание уделено конкретному.виду этих уравнений на высотах динамо-области, области Р и внешней ионосферы, включая плазмосферу, на средних и высоких широтах и над магнитным экватором.

Приведено краткое обсуждение динамо-эффекта, эффекта ионного увлечения и механизма динамо Р-области экваториальной ионо-. сферы (1.2.3). Кратко обсуждена зависимость эффективной температуры и температуры ионов от электрического Поля магнитосф, р-ной конвекпии.

1.3, Выводы. В выводах к данной главе суммированы основные результаты. Отмечено, что получены и обоснованы исходные уравнения для ионосферной плазмы. При этом:

1. Получена аналитическая модель скорости ионизации аврора-льнши электронами ("клгачая вторичные электроны), впервые пригодная для любой модели термосферы и позволяющая оперативно определить эту скорость для произвольного энергетического спектра авроральных электронов;

2. Получена систем уравнений диффузии многокомпонентной ионосферной плазмы, .в которой в явном виде одновременно у ,те-ны следующие процессы переноса: диффузия, термодиффузия, дрейф

из-за термосферного ветра и электрического поля, аффекты продольных токов трехмерной токовой системы. Эти уравнения.при уменьшении числа учитываемых сортов ионов и, кроме того, исключении одного Ш1И нескольких из ;еречисленных процессов совпадают с полученными ранее. В этом смысле они являются развитием и теоретическим обобщением полученных ранее.

глава ii

■ аналитическая модель ионосферы

В данной главе представлен подход в моделировании ионосферы, который основан на развитии аналитических методов решен/.« исходных уравнений, и результат реализации этого подхода в виде аналитической модели ионосферы, 0 помощью этой модели дан анализ вклада ионизационно-ракомбинационных процессов и процессов переноса в формирование ионосферы в спокойных и возмущенных условиях, включая периоды с„Збурь.

■На первом этаре предполагается, что электронная концентрация равна концентрации ионов кислорода л/е*что обычно применимо вблизи максимума Р2-слоя ионосферы (2.1). Дополнительный учет молекулярных ионов позволяет рассмотреть с единых позиций распределение На высотах областей Е и Р ионосферы (2.2), и дополнительный учет, кроме того,"ионов водорода -вдоди*всей силовой трубки геомагнитного поля от основания области Е в одном полушарии до пснованиг области Е в другом полушарии (2.3), Если К-этому добавить малые "онные.составляющие атмосферы (Не+,А/'", 0++ и т.д.), то получится достаточно полная информация об ионном состава. Поскольку конечная цель-физика ионосферных оуббурь, то реакция ионосферы-на быстро протекающие процессы (с характерными временами менее или порядка часа) изложена отдельно (2.6), а в разделах 2.1-2.4 рассмотрены ситуации и явления, при которых внешние для л^ параметры меняются с характерными временами более часа - квази-равновесныз модели. Такая последовательность изложения связана и с тем, уто аналитическая модель реакции ионосферы на быстро протекающие процессы содержит в качестве составной части квазиравновесную модель ионосферы.

2.1. Ионы атомного кислорода. В этом разделе представлена

аН&лйтическая модель электронной концентрации вблизи максимума' Р2-слоя, где Эта модель приведена отдельно для средних широт и над экватором.

2.ГЛ. Средние широты. Аналитическое решение уравнения для ме в этой области при одновременном и корректном учете ионизационно-рекомбинациониых процессов, дрейфа и.диффузии ранее отсутствовало. Так, практически все получанные ранее аналитические решения, в которых одновременно учтены перечисленные выше процессы, основаны На предположении, что равно единице отношение , где Н. и В - характерные масшта-

бы изменения с высотой (шкалы высот) коэффициента рекомбинации / и концентрации атомного кислорода ¡1(0) . На самом деле 0,5« 0,5?.

В диссертации представлено решение этой задачи для дневных и ночных уел вий. Так, для дневных условий это решение дано путем сведения исходного дифференциального уравнения второго порядка последовательно к интегрально-дифференпиаль- • ному уравнению первого порядка и к дифферент«..!ьному уравнению первого порядка, в котором коэффициент уравнения при члене, пропорциональном _/! , опрзделен из граничных условий и асимптотик решения исходного уравнения при малых и больших значениях безразмерной скорости дрейфа к=и//иа, где ¡V -вертикальная проекция скорости дрейфа, кг0 - характерная скорость дрейфа. Решение этого уравнения и является аналитической моделью распределения электронной концентрации Г-2-слоя для дневных квазиравновесных условий. Аналитическая модель Л/е (Л , £ ) на высотах области К-слоя для ночных условий построена такте на основе- "сращивания" асимптотик.решения исходного уравнений при больших и малых значениях скорости V.

Составной частью этих моделей являются аналитические соотношения для высоты А и концентрации ¿/т максимума Р2-слоя. Так, для дневных и ночных условий относительные изменения А за счет ш зависящего от высоты дрейфа определяются простым соотношением

кто )!н = /л (V* ТУ,

где § - величина, которая зависит, только от температур электронов, ионов и нейтральных частиц, А ■ - высота.максимума

Р2-слоа при IV характерная скорость ц/0 различна по величине для Ц/^О, ;К< 0, днем и .ночью, однако от состава термосферы зависит только чзраз отношение я(0)//л в течение всех часов суток. Концентрация л/Л .такте зависит от состава термосферы только через отношение п(0)/рк днем и ночью. Это отношение не зависит от высоты и слабо меняется в течение суток и, в этом смысле, является геофизическим инвариантом.

На основа сопоставления аналитической модели с численными моделями, аналитическими аппроксимациями кт и Мт по численным моделям и с данными наЙлодений представлено обоснование утверждения! построенная аналитическая модель обладает приемлемой для решения обратных задач ф:иаики 'ионосферы точностью для любого сезона и уровня солнечной активности, во всем реально наблюдаемом в спокойных к возмущенных условиях диапазоне изменения скорости дрейфа М . Так, для дневных не возмущенных условий любого сезона и уровня солнечной активности разнина в к и Ц по аналитической, модели и результатам*, численного решения данной задачи,не рревышаетчЮ; км и.15^ соответственно. '

С помощью этой Еш^итииэекой: модели, представлено объяснение сильных долготных.,изменений .Параметров максимума Р2-слоя и внешней ионосферы ,в навозмущенных условиях, рри высокой солнечной „активности местной .а..мяй,1В около полуночные часы, которые были обнаружены, по данным-;ИСЗ "Интеркосмосг-19". Показано, что это*,<в<$вкт связан,-/а ооноэном,. с .щирртно-долготными изменениями 'скорости термосферного Отпечено, что учет этих изменений необходим при.анализе ионосферных возмущений по данным

исз. : ■■'• ■ .

• 2 Л .2, Экватор. Аналитическое решение уравнения для Ме(к,1у над магнитным экватором,, пригодное для корректного описания изменений электронной концентрации Р2-слЬя в течение суток,ранее отсутствовало. Приставлено реканио этой задача. На основе сопоставления с результатами численного моделирования ионосферы. и с.данными.наблюдений обоснована приемлемая для решения обрати!«, задач; точность, построенной аналитической модели

вблизи, максимума, Р2-елоя над магнитным экватором. Приведены. аналитические соотношения для параметров максимума Р2-

слоя. Дано лраткоя обсуждение особенностей поведения I) над магнитным экватором по сравнению со средними широтами. Отмечено, что построенная модель пригодна для описания а'e(A,i) и в иоэмущенных условиях, в том числе, и ионосферных эффектов электрических полей в периоды оуббурЬ.

2.2. Молекулярные ионы. В данном разделе дополнительно к иона» 0+ учтены молекулярные ионы М+, где ,

и представлена единая аналитическая модель распределения a^U; на высотах областей Е й Р ионосферы, Ранее такая модель при одновременном учете диффузии^ дрейфа и йонизаци'онно-рекомби-национных процессов отсутствовала. На основе этой модели приведен анализ ранее но исследовайных или исследованных недостаточно полно особенностей формирования ионосферы '¡5 и F областей средних и высоких широт.

2.2.1. Средние широты. Для этой области-наименее изученным теоретически являлся вопрос об образовании дополнительных экстремумов электронной концентрации в ночных условиях в промежуточной области: №йе основания Р2-области, но выше максимума классического Е-слоя. Максимуму оЛектронНой концентрации в этой области соответствует промежуточный слой С. В диссертаций предварительно обсуждены механизмы образования экстремумов л/е вблизи максимума классического Е-слоя, Который в значительной степени связаны с металлическими 'ионами, и определяются конкуренцией диффузии и вертикальной проекции скорости дрейфа плазмы w из-за термЬсфйрнога ветра и электрического поЛя. С помощью аналитической модели вцделен механизм, который'Наиболее эффективен в .промежуточной Области и не связан г металлическими ионами; экстремумы электронной концентраций образуются на высотах, где безразмерная.величина

Максимальна (образуется минимум ) или минимальна (образуется максимум Np ). Здесь Л ..- коэффициент, диссоциативной рекомбинации, концентрация Молекулярных ионов при-учете ионизационно-рекомбинационИмх процессов И Диффузии, по W «0. Величина '/* в завиеймостг от направления электрического.доля и 'терпосферного ветра может иметь несколько экстремумов. В результате при плавном изменении направления, например, олект-

.рического поля будет происходить исчезновение максимума-л^ на одной высоте и. образование- максимума на другой высоте,что экспериментально будет восприниматься Как ступенчатоподобное изменение положения промежуточного сдоя Е. На основе сопоставления теорий и. эксперимента дано .подтверздение этого предсказания теории и, кроме того, получено, что наблюдаемые величины электрического.поля на средних широтах достаточны для образовании промежуточного слоя Е.

2,2.2. Высокие широты. Для этих широт представлен анализ-влияния продольных токов, У", и разогрева ионосферы электрическими полям Еп на распределение. ме(к) при более последовательном-и -корректном, .чем ранее, учете процессов переноса. В результате определен^.'.. а). связь параметров максимума F2-слоя (кгп, м,п)"■ с величиной.-,^.направлением я" ; б) связь ион-•ного' состава, включая .верхшдо границу преобладания ыолекуляр-• них ионов,с разогревом ионосфер"; в) критерии, при которых за .счет разогрева- и изменения состава атмосферы происходит исчезновение РЙ-слоя, т.е. 8 области преобладания й ионном составе ионов 0' отчетливый максимум электронной концентрации отсутствует. -Из теоретического анализа получено, что явление исчезновения J-2-слоя должно быть типичным в неосвещенной авро-раиьной области при низ.ьой солнечной активности для еосстано-вительной фазы бури или интенсивной суббури. Отмечено, что этоц-'резул.ьтат из противоречит данным наблюдений.-

2-3. Ионы'Н1". В данном разделе дополнительно к-ионам 0+ учтены ионы водорода Н+ и представлен^ единая аналитическая модель распределения л/е{к,1) на высотах области F2 и во . внзшнзй ионосфзрз, Е!слю^ая гшавмосферу. Метод получения этой модели близок к представленному в разделе 2.1 для конов О* вблизи максимума Р2-олоя.. Основное отличие данной модели от построенных ранее аналитических модйлэЙ заключается в более коррзктном и последовательном учезе процессов переноса ионов о1" и н\ . . ;: :

2.ЭЛ. Распределение ионов О*1 и Н* во биэйнйп ионосфере. Составной частью данной подели являются аналитические соотношения для характеристик распределения ионосферной плазмы вдоль геомагнитного поля: концентрация *tm(H *¡ и высота hm(H*) максимума м(}[*),. высота перехода кг , где ~л/;2?'^злект-

роннал концентрация А/ у вершины £ -оболочки, критический или максимально возможный поток плазмы Рс из ионосферы й плаз-мосферу и т.д. Дано обсуждение следствий офих соотношений. Показано, например, что разница между кт(н+) на протонэсферных уровнях и к^ зависит только от температур заряженных частиц, т.е. не зависит от потока плазмы Р, скоростей химических реакций и коэффициента,-диффузии.

2.3.2. Квазира новесная динамика протиносферы. Представлена составная часть аналитической модели внешней ионосферы: уравнение г решение, описывающее изменение электронной концентрации у вершины фиксированной- 2 -оболочки с характерными временами более нескольких часов. На этих временах во внешней ионосфере успевает установиться равновесное распределение плазмы вдоль геомагнитного поля. Поэтому такая ситуация соответству- ■ ет квазиравновесной динамике плазмы внешней ионосферы, включая и плазмосферу. Показано, что эта модель позволяет корректно описывать изменения во внешней ионосфере как в течение суток, так и в процессе заполнения предварительно опустошенк/.й .плазмо-сферы, что типично для восстановительной фазы бури или интенсивной суббури. Представлены явные соотношения для среднесуточного значения л^ в равновесных условиях Ы* , для среднесуточного значения критического потока Р , характерного времени заполнения плазмосЯерм Г и изменения Д,к , Р в процес-

В г

се заполнения плазмосферн. Из этих соотношений следует, в частности, что Рс практически не зависит от уровня солнечной активности и / - оболочки:еще один геофизический инвариант. Эта инвариантность связана в конечном итоге с '„^м, что увеличение коэффициента скорости ионизации атомного кислорода и эк-зосферной температурь: с ростом уровня солнечной активности почти полностью компенсируется уменьшением концентрации атомного водорода.

2.4. Малые ионные составляющие. Кроме ионов 0+ и Н+ и молекулярных ионов,в ионосфере присутствуют ионы 0++,Не+ И; т.д., которые обычно являются малыми ионными составляющими. В данном разделе приведено обоснование утверждения: уравнение для концентрации малой ионной; составляющей типа 0++, л/.+ или. Нз+ можно привести к виду, формально совпадающему о-уравнением для ионов 0+ вблизи-максимума -Р2-слоя. Поскольку методы и ре-

-решения этого уравнения приведены в разделе 2.1, то в данном разделе представлен анализ ионного состава ионосферы. Для примера решена обратная задача" -по-данным измерения концентраций ионов 0+, 0++,//+, Не+, Н* и молекулярных ионов определены потоки плазмы. Показано, в частности, что для типичных летних условий на средних широтах при среднем урсвне солнечной активности термодиффузия вносит в высотное-распределение малых ионных составлявших примерно такой же вклад, что и потоки плазмы.

2.5. Реакция ионосферы на быстро' протекающие процессы. В данном разделе представлены математическое описание (аналитическая модель) и анализ реакции ионосферы на внешние факторы (спектр и интенсивность высыпающихся электронов, электрическое поле магнитосферной конвекции, внутренние гравитационные волны в термосфере и т.д.), пр.текающие с характерными временами порядка или менее часа, ^та модель в;качестве составной части содержит к-зазиравновесные модели,-приведенные в предыдущих разделах данной главы. Дано обоснование корректности этой модели и применимости э"ой модели при решении обратных задач физики ионосферы: определении количественных характеристик контролирующих ионосферу факторов. Отмечено, что такая модель построена впервые.

Предварительно приведен анализ реакции протоносферы-на изменения во времени электрических полей магнитосферной конвекции. Показано, в частности, что распределение электронной

концентрации в экваториальной плоскости видаЛ/, ~КЯ /Я

•' й • £

внутри плазмосферы и в центральной части плазменного слоя является наиболее устойчивым к изменению во ¡вымени электрического поля магнитосферной конвекции.

Анализ реакции ионосферы на высотах Е й Р областеГ приведен отдельно для среднихи высоких широт и'над магнитным экватором.

2.5.1. Средние и высокие'Широты.1 Представлена модель, которая позволяет с единых: позиций (с помощью одного аналитического решения) описывать перераспределение электронной концентрации Й5ластей Е и Р ионосферы при изменении во времени характеристик высыпающихся (авроральных) электронов, электрических полей магнитосферной конвекции, прохождении крупномасштабных ВГВ или одновременного действия этих факторов. ■ Представлен

анализ особенностей перераспределения ионосферной плазмы под действием этих факторов: а) практическое исчезновение Р2-слоя, образование перемещающегося по высоте дополнительного максимума- электронной концентрации при переходе энергетического спектра высыпающихся электронов от диффузионного к дискретному типу; б) в дневных условиях на средних широтах максимальное увеличение Mmf2 наблюдается после прохождения ВГВ, когда ктГ2 уже успело опуститься до не возмущенно го уровня; в) на. средних широтах днем кратковременное увеличение электрического поля обеспечивает резкий подъем hmFl при почти неизменном MmFi и последующее расслоение. Р2-слоя - образование двух максимумов. Приведены экспериментальные доказательства этих особенностей.

2.5.2. Экватор. Отмечено, что аналитическая модель, приведенная в подразделе 2.1.2, позволяет воспроизвести изменения jJs(h,i) над магнитным экватором и,.под действием быстро меняющихся со временем электрических полей, плотности и температуры атмосферы при прохождении. ВГВ. Дано дальнейшее развитие этой модели. В результате она позволяет учитывать и эффекты, связанные с возмущением скорости ветра при прохождении ВГВ над экватором. Отмечено, что ранее этот эффект не воспроизводился ни численно, ни аналитически. Представлены аналитические соотношения для высоты и концентрации максимума Р2-слоя ночной экваториальной ионосферы с учетом перечисленных эффектов ВГВ. Дано сопоставление с результатами.наблюдений.

2.6. Виводы.Сформулированыосновные выводы к данной главе: Впервые решена проблема теоретического (аналитического) описания распределения концентраций заряженных частиц в ионосфере высоких,средних широт и над экватором для всего реально наблюдаемого диапазона изменений контролирующих ионосферу параметров, которая сочетает-физическую наглядность, оперативность, и приемлемую для решения.прямых-и обратных задач физики ионосферы точность.

IIa основе такого единого.подхода впервые показано..что: I. В кзазиравновесных условиях на всех широтах днем и на средних и высоких широтах ночью электронная концентрация максимума Р2-СЛ0Я-зависит- от состава - термосферы только' через .-величину n(0)/ßK , которая слабо зависит от высоты и времени су-

ток, т.е. приближенно является инвариантом по этим параметрам.

2. Реально'наблюдаемые и спокойных условиях электрические поля достаточны для образования промежуточного слоя Е в ночной среднеширотной''ионосфере. Плавное'изменение со временем направления электрического поля может обеспечить скачкообразное изменение положения'промежуточного слоя Е.

3. Исчезновение Р2-слоя при р; зогреве ионосферы и (или) изменении состава термосферы тесно связано с изменением характера диффузии ионов кислорода: необходимостью учета диффузии 0+ через молекулярные ионы.

4. Продольные токи могут приводить к сильному изменению высоты максимума Р2-слоя.

5. Разница ме;кду нижней границей протоносферы, где Ы(Н+)= + ), и высотой максимума а'(Н*) _в протоносфере в квазиравновесных условия" не зависит от величины потока плазмы, скоростей химических реакций л коэффициента диффузии, т.е. зависит только от температур заряженных частиц.

6. Независимость среднесуточного значения максимально возможного потока плазмы из ионосферы в плазмосферу от I -оболочки и уровня солнечной активности в конечном итоге связана с тем, что рост коэффициента ионизации атомного кислорода и температуры экзосферы с уровнем солнечной активности компенсируется соответствующим уменьшением концентрации атомного водорода. Величина этого потока - еще один инвариант ионосферы. '

7. Распределение электронной концентрации в экваториальной плоскости вида внутри плазмосферы и в центральной части плазменного слоя является наиболее устойчивы:.' к изменениям во времени электрического поля магнитосферной конвекции.

8. Перераспределения ионосферной плазмы при изменении во времени характернее >{ высыпающихся (авроральных) электронов, электрических полей магнитосферной конвекции, крупномасштабных внутренних гравитационных волн могут описываться с помощью единого аналитического решения уравнения непрерывности для электронной концентрации.

-21-ГЛАВА III

МЕХАНИЗМЫ ИОНОСФЕРНЫХ СУЕБУРЬ

В предыдущей главе приведена модель ионосферы, которая позволяет воспроизводить основные характеристики ионосферы, в том числе, и В периоды суббурь, аслм причины (механизмы) суббурь в ионосфере заданы. В данной главе основное внимание уделено механизмам суббурь в ионосфере и конкротнш проявлениям этих механизмов, т.е. физике суббурь в ионосфере. Предварительно приведен о*гань краткий обзор результатов' исследований по анализу крупномасштабных характеристик'- суббурь й 'магнитосфере и ионосфере (3.1). Более подробно результаты; определяющие новизну и значимость данной работы,.представлены э последующих разделах. Поскольку механизмы суббурь в ионосфере и их относительная роль различны в различных областях, то'эти механизмы изложены последовательно для области Полярной шапки (3.2), авроральной области (3.3), субавроральной области (3.4), средних и низких широт (3.5). При это»! основное внимание удалено анализу природы наиболее ярких проявлений суббури в ионосфере .

■ 3.1. Состояние иссладованиГ;. При анализе суббури в ионосфере важно знать распределений магнитооферной плазмы, электрических полей, токов и областей высыпания заряженных част«} з ионосферу. Дано краткое, о^суздвийе этих характеристик для спокойных условий и периодов суббурь¡ их связи с параметрами солнечного ветра. Далее дано .'{ратное обсуждение основной посладо-!ательности событий в ионосфера и причин, обеспечивающих эту последовательность а периоды суббурь.■ Из обзора следует, что ранее не была понята цепочка связей, обеспечивающих образование поляризационного дхата с полями >100 мВ/м; но были рассмотрены эффекты настационарности проводимости ионосферы авроральной области в глобальном (от авроральной области До экватора) перераспределении электрического поля магнитосферной конвекции, внутренних гравитационных волн (ВГВ) в генерации электрического гюля. Нз были выделены условия, при которых на к > 200 км амплитуда' ВГВ по мере распространения сохраняется повышенной вплоть до экватора,

'Не были поняты многие даже из наиболее ярких характеристик суббури С .ИОНОСфдрб,'

3,2 Полярная шапка. Относительны?, вклад конвенции в перераспределение электронной концентрации Р2-елоя в Освещенной Солнцем части полярной шапки в равноденствие ослаблен по сравнению с зимними условиями! крупномасштабная неоднородность а^ , образованная эа счет изменения потока электронов в дневной части авроральной области( "демпфируется" солнечны.! излучением по мере конвекции этой неоднородности в полярную шапку. Такая картина, однако, характерна только для относительно спокойных условий. В возмущении;; условиях часто реализуется ситуация, когда крупномасштабная неоднородность усиливй-.ется по март движения к полюсу. Более того, среднее для возмущенных равноденственных условий распределение Ме имеет максимум на!; полюсом. Следовательно, должен существовать механизм дополнительного увеличения л^ ПРИ Движении плазмы через освещенную Полярную шапку к полюсу.

3 диссертации с помощью аналитической модели ионосферы показано, что этот механизм аналогичен механизму увеличения электронной концентрации максимума Р2-слоя после прохождения ВГВ; в возмущенных условиях дневная часть авроральной области расширена и эа счет вертикальной составляющей дрейфа плазмы и/ она "успева8Т"накопиться.во внешней части Р2-слоя за время конвекции объема плазмы через дневную' часть авроральной области; при дальнейшем движении плазмы вглубь освещенной-шапки значение Ш быстро уменыла(зтся, км опускается, а Л"ет продолжает расти и достигает максимума у полюса, где # *0; увеличение 'Мт б это время пропорционально накопленной в:,1 внешней части Р2-слоя в дневной части авроральной области электронной концентрации. Этот механизм не эффективен в спокойных условиях, когда дневная часть авроральной области является узкой,и в зимних условиях, когда полярная шапка нз; освещена Солнцем. Он наиболее эффективен в условиях, когда дневная Часть аморальной области максима ьно расширена, ан-' . тисолнечная конвекция плазмы повышена, терминатор проходит вблизи кэридиана утро-вечер, уровень солнечной активности низкий. Б этих условиях над.полюсом примерно в 3-4

раза больше, чем в дневной части авроральной области, и на :

порядок больше, чем р.ночной апроральной области, Дано экспериментальное обоснование справедливости результатов теории.

При моделировании суббури а ионосфере полярной-шапки била учтена и дневная часть еврорзльной области. Кратко расемотро-• ны характеристики суббури в ионосфере этой области. Показано, в частности, что. уменьшение у экваториальной Гранины

дневной части авроральной области может быть"обеспечено и вертикальной составляющей дрейфа плазмы в-начальный период "включения" этого дрейфа, когда объем .Плазмы начинает ехо-. дить в эту область.

/ 3.3. Авроральная область. На основе аналитической годели ионосферы рассмотрена суббуря- в ночной авроральной ионосфере. Представлены резул ьтаты моделирования двух следующих друг за другом суббурь и сопоставления этих результатов с данньми наблюдений. Показано, что в неосвещенное, время зимой при низкой солнечной активности вероятность исчезновения Р2~слоя в апроральной-области в периоды суббурь, максимальна! особенно на начальной стадии развития'суббури (из-за- увеличения жесткости авроральньгх электронов и инерции в реакции. Р2-глоя. на это высыпание) и на .восстановительной'стадии .интенсивной суббури или серии суббурь (из-за изменения состава ат;.:асфэ-. ры). На основа решения обратной задачи ионосферы показало также, что иногда нлблвдавмые. в перл-годы суббурь сильные увеличения 1 вблизи и -рьйв максимума Р2-слоя. нэ связаны* о локальным увеличением скорости ионизации.

3.4 Оубавроральная область, Она- примерно соответствует области главного ионосферного Провала. 3.данном разделе основное внимание уделена анализу природы поляризационного джета, который является наиболее яркой характеристикой суб. авроральноГ;, ионосферы в.возмущенных условиях (3.4Л5, и следствий-для ионосферы образования поляризационного дт.ета (3.4.2)

3.4.1. Электрические роля, Предварительно на основе аналитического решения упрощенного.- уравнения для потенциала электрического поля (аффективная проводимость магнитосферы Вт и ионосферные проводимости ¿^ , ¿р меняются с кощиро-той 9 и не зависят от местного времени АъЯ'М£Т/12) представлен анализ.влияния изменения ионосферных проаодимостей на характеристики'токов и электрических полой. Показано, что

при бкп0лн9няй услбвия .

где l- ¿n (В/О<.) s зедичиш Ёд -, ■£ • £0 и продольный ток на вэрхней грайцпе ионосферы практически не зависят о.т' изменения. ионосферных проБодимостег. Поэтому, например, уменьшение 2 присздот к росту амплитуды Е^ и остапит практически без изменений амплитуду Е^ и Получено также, что в области предельных токов на- авроральных и субавроральных широтах услозиз K¿»i' обычно .выполнено, Для анализа природы поляри-оагхонйого дкета получено аналитическое решение системы уравнений Для потенциала электрического поля и электронной концентрации вблизи максимума E-слоя, которая почти линейно связана с иОНО»]>врПК>'И про води,'лостямп zpt zff.

Б результате представлено обоснование следугщей цепочки ярогзееоз,' ксторье приводят к образованию поляризационного д:;;ета. в том числе, и с полями более'100 мВ/м: . в активную фазу -суббур:; более значительное,' чем для электронов, смещение экваториальной' границы' горячих ионов, плазменного слоя к Земле (из-за разницы во'.времёнл низнй' этих электронег и ионов)5 об-'разоьани-з е результате такого смещения полосы на субавроральних широтах, гд'з Spi' повышена на фоне относительно низких, но повышенных, ионосферных про водимо сте Г:;' первоначальное усиление электрических полей и .токов в этой'полосе; изменение ио-кос'Ьзр:-:;-.:х проводкмсстеЯ за счет продольных токов (уменьшение этих про водимостеп ввчеро« и увеличение утром); сильное увеличение направленной к полюсу компоненты электрического поля в етои полоса в вечернем секторе, т.е. образование поляризационного д:-кета, ;■': ослабление направленной к экватору компоненты . электрического пол7 в утреннем секторе. Показано .также, что для типичных' условии характерное -время установления поляризационного дл:ета после смещения плазменного слоя к Земле около нескольких минут.' Поэтому время установления поляризационного 'джета определяется в значительной степени ременем смещения плазменного .слоя к Земле.

3.4.2. Область Р. Перераспределанио электрического поля при смецзнин плазменного слоя к Земле приведет к изменению

распределения эл~ктронной концентрации на высотах области р ионосферы за счет изменения траекторий консекпкя п разогрева ионосферы электрическими полями. Предст&рдоп анализ д:-:не.мю<л области Р 'ионосфер!! суСзвроральнмх зкро? з такой -.сятуггй«.

Предварительно дан анализ ?рад'<?орн;'. кон«5Кеий пйьзхы ка субавророльных широтах, Получено, з частности, что вь-нос плазмы из авроральной области блокируется поляр1эг.:тйоннь,:г дтессм ? т.е. траектории конвекции в вечернем еэкторэ "праати" к' экваториальной Гранине вксыпаний•относительно низкоэнергнчньтх электронов из плазменного слоя (границе диафуе/снных вторко-ний-ГДВ). В. результате нэ будет наблюдаться :г быстрое едз:;*-ние плазмопаузы и минимума главного ионосферного провала (ГИП) к экватору. Приведенный эффект блокировки поллрлзатг.^нкы: джвтом смещения всех трех структур к экватору ь сэчэрязи секторе позволяет., по крайней мере, качественно пенять слэдуссне-результаты наблюдений в активную фазу суббурй :'ла бури: а) смешение минимума ГИЛ н экватору в взчзрнкэ часы демпфировано и происходит с задержкой около часа по сравнении о лослспслу-ночными часами; б) положение ГДЗ в это время коррелируем с 1{-индексом лучи1е, чем -с более детальными индексами Магниткой активности; в) смещен/л ГДВ.к экватору в утренние часы более Значительно, чем в в-эчернпе. .

Структурные, особенности субавроральнсй ионосферы в' авизную фазу суббури рассмотрены отдельно для вечерних и ут;й?:к;:х часов. На-основе аналитических моделей ноносферь?. :•: адектричзо-кого поля показано, что теория позволяет объяснить оснозн"а экспериментально наблюдаемые особенности распределения Ионосферной .плазмы на субавроральных широтах и активную фазу еуо'бу-ри:

- в вечерние часы.в.области поляризационного, джэта: увеличение более чем на два порядка относительного содзряания ионов л/0* н ионном состава на к — 200-250 км из-за расогрева ионосферы электрическими полями; образование провала электронной концентрации вблизи и ниже высоты максимума Р-елся, в котором высота максимума повышена; отсутствие йростой связи мегаду локализацией поляризационного джета и провалами элект^ ронной концентрации во внешней (Л> 800 км) ионосфере; -в утренние часы: повышенная (по сравнению с вечерними ча-.

'оаа'и) скорость с.\сев;бшц1 главного ионосферного провала к экватор",' из-за особенностей траекторий коигокоищ ступенчатоподоб-ная структура,, икрстного распределения электронной концентрации;

- пслярлзанионный джет .и его ионосферный отклик чаще всего фиксируется в' ренноденствяз ё интервала 19-23 МГГ, поскольку пря о?<>и хулгл'йяъИа фоновая кн.5тральная (рдоль всей £ -обо-ложл) проводимость ионосферы. '

Обосновано, что с особенностью освещенности сопряженных ионосфер сплгако и обнаруженное по данным ИСЗ "Интеркосмос-19" усиление долготного эффекта в положении главного ионосферного провела (ГИЛ) с условиях солнцестояния'в околополуночные чаек, в первые сутки после интенепшной суббури или бури (свя-.зай^ с ЕУДВрл-КСЙ СНЭЕрНйЯ положения ГЙЯ к фоновому состоянию нд долготвх с ^льнсй фоновой проводимостью ионосферы). Предсказало, что. б время должен наблюдатьс.; и сильный додгошуй эффект а положении плазмопэуэы. Отмечено, что теория предсказь-с&з* более сложную структуру долготного эффекта •з это? пераод:. образование на «яделенньд долготах двух провалов и двух плаэмопауз.

3,5 Средниеи низкие а/роты. Основными причинами суббури в стсХ области'ионосферы являются электрические полк и распространявшиеся от авроральной•области к экватору внутренние гра-' ■витагнонные волны (ВГВ) в атмосфере. 3 данном разделе представлен теоретический 'анализ свойств электрических полей и ВГВ на рассматриваемых широтах, генерируемых б периоды суббурь. Аналитическая шдёль ионосферы используется здесь, в основном, как дополнительный инструмент анализа и проверки теории; на основе решения обратных задач ионосферы определение свойств электрических полей и ВГВ. •

■3.5.1. Элактрич. ские поля. Предварительно представлен анализ эффекта, Названного явлением в Р2-слое дневной

коюсфврь:.

Оно было обнаружено На основе решения обратной задачи ионосферы по даннь:;; сети станций ветрикально^о зондирования, работающих в учащзином режиме (с'-5-ыинутньи.:и интервалами). .Было получено, что перед-'суббурей -На всех станциях синхронно (в пределах временного разрешения) наблюдаются кратковремен-

ные и очень сильные изменения еысоты максимума Г-2-с:;ол, такие, что в стандартном режиме• работ:.! (с 15-минутным разрешенном}-эти изменения могли не фиксироваться. Из.решения.обратной- задачи ионосферы получено, что электрическое'поле, оЗаспечивйа-щее такие изменения в ионосфере', на потенциально: полз сильно -ослабляется ниже примерно 220 км, ¡'з характера укзнъпепия такого электрического поля с коширотой • следует, п?е оно-не противоречит теории волноводного распространения в Р2-слое б^су-рой магнитозвуковоп волны с высоких широт на низкие (практически совпадают коэффициенты затухания солки.вдоль Болнойода из теории и определенного из ионосферных данных элэктричзско-го поля). Отмечено, что этот.результат является из окончательным, поскольку ионосферных данных-с 5-мнну?ным•разрешением явно недостаточно для однозначного-определения природы этого явления.

Далее рассмотрены процессы, когда электрическое поле приближенно можно считать потенциальным.

1. Представлена глобальная аналитическая модель стационарного электрического поля магнитосферной конвекции, При решении этой - задачи электрическое поле определялось в экваториальной плоскости геомагнитного поля в-координатах: геоцентрическое расстояние И и местное время А ', поскольку знания электрического поля на вершине / -оболочки достаточно для определения этого поля в любой точке этой оболочки. Граничныэ'усло-вия: на внешней границе плазменного слоя (а.проекция 'на' ионосферу - на границе полярной шапки) задано распределение потенциала электрического поля •£ , на нижней границе экваториального 15-слоя выполнено условие равенства нулю радиальной составляющей тока ■ ;

Отмечено, что такая единая глобальная аналитическая модель получена впервые. Как частные случаи она включает'в себя ; полученные ранее. Так, ранее часто использованное граничное условие '¿—О при я~-0 не.приводит к сильным ошибкам на2>«?. Составной частью этой модели может быть и поляризационный джат.

2. Эта модель использована для анализа-перераспределения . электрического поля в плазмосфере в различные стадии развития суббури. Для этого потенциал электрического поля г» плаэмос-

ферс представлен в виде

^(-М; ,

гцу . .".е. ^ и 'а, - распределе-

ния потенциала ¡э'плаэ.\:о сфере, связанные с учетом продольных токов у полюсной и экваториальной границы авроральной области. Релаксация распределения потенциала 4(1) от спокойных </ к Еогмуцвнкьы 4* условиям описывается .соотношением

Шл,- &(4*~ Ч^И-ех^/Т^Н^-Ч^а-ехр Н/тг}),

где отко-оиие Для варианта, когда меняется только

поле хагнктсс£зрного Динамо в хвосте магнитосферы (или в проекции на ;:он;с1ер.у - в полярной шапке) это решение общепризнано. гЬзы.: квлязтся дополнительный учет изменения во времени ясное;'.провод имоста авроральной области .

Б результате й.-иша показано, г частности, что теория поз-Есляат пенять следующие экспйри.\:ентааьно наблюдаемые особенности кз^йнекил- -электрических .Полей в плаэмосферэ в периоды ак-т.ш;оЛ с]азк суббури;

2.1. Нот просто;; корреляции ¡.:ежду изменениями В -МЫП'И

электрического поля' в пяазмосфере. Есть еще одна причина -

и&;.-.э:-;-эн.ке 2.(Л) . Так, после поворота В -ЬМП на юг увеличения

с \

электрического поля в пелпрной сапке) электрическое поле в

плао:.:оеф-;рз можт поворачиваться на 90° в зависимости от того,

происходит - или не происходит увеличение г. (Л) . Результат за-

.ркскт также от временного интервала между поворотом В -ММП и

ростом прозодшости.

2.2. При'Будеяении случаев, когда; такая корреляция между . В?-!!.;П и электрическим полем в ллазмосфере наблюдается, оказывается, что чаца нее го они соответствуют поворотам В^-ШП с юга. на север. Из теории следует,.что почти одновременные поворот В -ЖП с вг!,. ка север к рост обеспечивают примерно гдг'.Ог. большую амплитуду электрического поля в плазмос-ферз по ср&жэниа со всем;; еозмсянши другими случаями.

2.3. Несмотря ка сильную кзЬн ?чиво'сть электрического поля

в периедк ийол.-:р ,ввккнч: суббуръ, яри усреднении за продолжи- . тельнуе периоды подённой вагииз'иоЯ активности (фактически это последовательность суббурь) удается• выделить снстемати-чгекпо законо;..ерксети. При таком усреднении эффекты, связан-

ные с нвстаткюнариостью почти исчезают и остается кгзазпетаиио-парное поле в плазмосфере, связанное с позтениоП проводимостью и повышенны/. значением электрического поля в полярной шапке.

3.5.2. Внутренние гравитационные волны (ВГВ) п атмо.х'оре. Представлен вывод уравнения для крупномасштабной ВГЗ в термосфере с учетом нелинейности, дисперсии, молекулярной вязкости и теплопроводности, изменений фоновых параметров термосф-еры вдоль направления распространения ВГВ. Приведены аналитические решения этого уравнения. На основе этих решений и решений обратных задач ионосферы по аналитической модели ионосферы представлен анализ свойств ВГЗ.

Основное внимание уделено анализу ранее не исследованных пли исследованных недостаточно полно свойств ВГВ. Так, наблюдения показывают,- что в некоторых случаях на высотах Д>200нм . амплитуда ВГВ над экватором сопоставима по величине с амплитудой волны вблизи источника генерации (в авроральноП области), т.е. вязкость почти компенсируется какой-то причиной. Представлено обоснование, что этой причиной являются уменьшение скорости фонового термосТерного ветра Ув и фоновой плотности

вдоль направления распространения ВГВ. При повышенной магнитной активности градиенты и уо вдоль направления распространения увеличиваются. Поэтому вероятность наблюдения ВГВ над экватором наибольшая, когда волна генерируется на фоне повышенной магнитной активности. Отмечено, что это следствие теории отражено в эмпирической модели термосферы в вид,а "экваториальной волны Плотности".

Из уравнения для ВГВ следует, что возможно существование уединенной крупномасштабной волны типа солитона. Это свойство следует и' из решения обратной задачи ионосферы. На основе сопоставления этих результатов дано уточнение теории; оптимальное условие существования солитона реализуется при выделенном соотношении между горизонтальным и вертикальным характерными масштабами волны. Отмечено, что солитон образуется на переднем фронте крупномасштабной ВГВ. Для солитона эта ВГВ является фоном, который может обеспечивать компенсацию вязкости градиентами скорости и плотности такой ВГВ по аналогии с приведенным вше механизмом образования "экваториальной волны

плотности".

Дан краткий анализ относительной эффективности электрического поля суббури и ВГВ в изменении высоты максимума ночного среднеширотного Р-слоя . Показано, что в среднем в период прохождения ВГВ средних широт электрическое поле суббури и .ВГВ действуют в фазе (оба обеспечивают подъем Р-слоя) до полуночи и в противофазе после полуночи. Приближенно электрическое поле суббури линейно связано с проводимостью и токами ав~ роральной электроструи ^ , а амплитуда ВГВ пропорциональна

Поэтому при больших значениях АЕ-ивдекса эффект ВГВ преобладает, Этим объясняются следующие наблюдаемые особенности связи амплитуды ¿Ат с амплитудой АЕ-иццекса для типичных суббурь: до полуночи корреляция между ними наблюдается при любом уровне (АЕ)^ ; после полуночи корреляция между ними отсутствует при (АЕ)Л< 700 нТл, при (АЕ)т > 700 нТл корреляция между ними наблюдается.

Отмечено, что за счет действия дина!,ю Р-области ночной экваториальной ионосферы в период прохождения ВГВ на высотах Р-области генерируется электрическое поле, которое названо электрическим полем,индуцированным ветром ВГВ,или просто электрическим полем ВГВ. Показано, что это поле является одной из причин сильного отклонения поведения Р-слоя от статистически среднего в период прохождения ВГВ.

В конце данного раздела кратко изложена последовательность развития типичной суббури в ионосфере средних и экваториальных широт и относительная роль механизмов, обеспечивающих эту последовательность.

3.6 Выводы. В этом разделе суммированы основные результаты приведенных в тертьей главе исследований, которые определяют, их значимость и новизну:

I. Построена аналитическая модель глобального распределения крупномасштабного электрического поля магнитосферной конвекции на разных стадиях развития суббури, в которой впервые учтены связи менду ионосферной проводимостью, продольным током,, электрическим полем магнитосферной конвекции и эффективной проводимостью магнитосферы; шстационарность электрического поля магнитосферной конвекции при изменении во времени ионосферной проводимости аврорадьной области.

2. Получено утавнени-з для крупномасштабной ВГВ в термосфере, в которой впервые одновременно- учтены нелинзййость, дисперсия, молекулярная вязкость и теплопроводность, изменения фонсзмх параметрэз терло сферы вдоль направления распространения ВГВ. Даны аналитические решения этого уравнения.

3. Совместно с аналитической моделью ионосфера, приведенной во второй гласе, это позволило впервые построить единую теорию (аналитическую модель) крупномасштабных проявлений, суббури в ионосфере высоких, су б аморальных, средних и {экваториальных широт: вццелить" основкьэ механизмы и их относительную роль на разных стадиях развития суббури; определить последоЕатздьность событий в ионосфере в период суббури; дать объяснение наиболее ярким проявлениям субоури з ионосфере и выделить гелио-гэофизические. условия, при которых вероятность обнаружения этих проявлений суббури максимальна.

В частности:

ЭЛ. Дано объяснение и выделены гэлиа-геофизические условия, при которых, набходгшел.: а) аномальное увеличение электронной концентрации« а газл-ярной запке; 6} исчезновение- Р2-слоя в авроральноГ;. области;, в), образование полариаациокног'о. джота с полями белее 100 мВ./м и. сильное изменение.' титра. состава б этой области (увеличение относительного содерзакия; ионовtjá на к =200-250 км более чем на два порядка); гХ аномальней подъем Р-слоя-над экватором.

3.2, Теоретически показано и дано обоснование. важной- роли: а) нестациоиарности проводимости ионосферы'авроральной-- области в перераспределении электрического поля магнитосфарной- конвекции; б) изменения параметров терлосферьгвдоль направлзния распространенияВГВ на .амплитудные характеристики ВГВ на- высотах А >200 км; - в) электрического поля'индуцированного возмущением ветра ВГВ, вперераспределении Р-сЯоя ночной экваториальной ионосферы.

3.3. Определены оптимальные условия с^зствования крупномасштабной BF3 типа солитоИа.

3.4.. Дано объяснение, особенностей связи изменения F-сяоя среднеширотной ионосферы в дополуночныз и посл-зполуночкые часы с уровнем магнитной, активности субоури.

3,5, Дано качественное объяснение демпфирования смещения к экватору главного ионосферного провала я границы диффузных вторжений.электронов в период тзоста магнитной активности,

3*6. Обнаружены и дано объяснение: а) явлению $SC в F2-с'лое ионосферы; б) усилении долготного эффекта в положении и форме главного Ионосферного провала в первые сутки после окончания бури или интенсивной суббури.

•3,7. Предсказан сильный долготный эффект в положении и форма плазмонаузы в первые сутки после окончания бури или интенсивна •суббури» включая образование на определенных долготах двух плазуопауа.

ЭШЮЧЕКИЗ

Поскольку оснпныэ результаты каэдого этапа работы приведены в выводах к катдой главе, то в заключение они сформулированы з обобщенном ецдэ:

1, Разработан подход з исследовании суббурь в ионосфере, базирующийся на физически обоснованной системе•исходных уравнений и развитых аналитических методах радений этих уравнений, который позволяет обеспечить физическую :-:1Глддность, оперативность и приемлемую для решения обратных задач точность результатов теории.

2, Создана теоретическая модель суббури.в ионосфере, которая является реализацией этого единого методического подхода-. Она представлена совокупностью взаимосвязанных аналитических, моделей электронной концентрации и ионного состава, электрического поля магнитосферной Конвекции, крупномасштабной'внутренней гравитационной волны, и скорости ионизации атмосферы &врораяьньки электронами.

3, С помощью э"ой теоретической модели разработаны механизмы суббурьöионосфера, позволившие:

3.1. Дать теоретическую интерпретацию основной последовательности событий в ионосфере £ периоды суббурь;

3.2. Дать теоретическую интерпретация ..аиболее'сильных изменений .в ионосфере в периоды суббурь, таких как: аномальное увеличение электронной кряцентрации над полярной шапкой; исчезновение'РЕ-слбя в авроральной области; образование поля-

ризационного джг^а с полями более 100 мБ/м и сильное изменение ионного состава в .этой'области (увеличение относительного содержания ионов МО* на высотах 200-250 км более чем на два порядка); аномальный подъем Р-слоя над экватором,

3,3...Обнаружить и дать объяснение явлению SSC в Р2-слое ионосферы; усилению долготного эффекта в положении и форме главного ионосферного провела в первые сутки после окончания бури или интенсивной суббури,

3.4. Предсказать сильный долготный эффект в положении и форма плазмопаузы в первые'сутки после окончания бури или интенсивной суббури; образование в этот период на определенных долготах двух ионосферных провалов и двух плазмопауз.

3.5, Вьделить телио-геофизичаские условия, 'при которых вероятность реализации сильных изменений в ионосфере- максимальна и тем самым довести результаты теории до прогностического ■ уровня.

Перечень работ, з которых опубликованы основные научные результаты. .

1. Дёминов М.Г. Примесные ионы в области F2 ионосферы //Геомагнетизм и аэрономия. -1974, -Т. 14. -М, -С.615-621.

2. Доминов М.Г. Влияние термодиффузии на распределение примесных ионов в области Р2. ионосферы //Геомагнетизм и аэрономия. -1974. -Т.14. -С.Зоо-Зсб. ,

3. Дёминов М.Г. Влияние.дрейфа на распределение ионов в об-. " ласти Р2 ионосферы //Физика ионосферы, магнитное поле Земли и солнечно-земные связи. -М. ¡ИЗМИРАН-, 1974, -С,3-9.

4. Дёминов М.Г. Уравнения диффузии ионных компонент магнито-актианой ионосферной плазмы.//Изв.вузов. Радиофизика. -1975. -T.I8. 5.7, -С.1061-1064,

5. Дёминов"¡4.Г. Обобщенный закон Ома для многокомпонентной ионосферной плазмы //Шизика и моделирование ионосферы.. -М.: Наука, 1975. -С.229-237.

6. Дёминов М.Г., Ким В,П. 0 роли электрических полей в формировании ионосферы высоких широт //Геомагнетизм и аэрономия -1976. -T.I6, -76. -С.993-1001. .

7. Дёминов М.Г., Ким В,П. Реакция ионосферы на быотрыэ изменения крупномасштабных электрических.полей. I. Атомные ионы

//Геомагцетизм и.аэрономия, -1976.-ТЛб,-"?о.-С.830-635.

8, Демидов {¿.Г.,. Ким В.П. Реакция ионосферы на быстрые изменения крупномасштабных электрических полей, II,Молекулярные ионы //Геомагнетизм и аэрономия. -1978.-Т. 18. -.¥2,

.-С.251-256.

9. Дёминов М.Г., Ким В.П., Хегай З.В. Влияние продольных то-.ков на структуру ионосферы //Геомагнетизм и аэрономия, -1979. -Т. 19. -М. -С.743-745,

10, Дёмино в щ.Г., Заярная Е.С. Об аномальном распределении электронной концентрации в авроральной ионосфере //Геомагнетизм я аэрономия. -1980. -Т.20. -Ml. -С.33-38.

11, Дёминов М.Г.,. Хегай'В,В. Аналитическая аппроксимация скорости ионизации авроральнкми электронами //Геомагнетизм и аэрономия. -IS8C. -Т.29. -,'М. -С, 145-147. ■

.12. Домиков М.Г.t I'm В.П., Хегай В.В. Влияние- продольных электрических,полей на структуру ионосферы //Геомагнетизм и аэрономия. -1980. -Т.29. -56. -С.837-840,

13. Дёминов М.Г., Хегай В.В. Высотное распределение параметров авроральной'ионосферы в периоды магнитных- суббурь //Ионосферные исследования.-1961. -$33; -С.56-61.

14. Вадин З.И., Дёминов М.Г. Влияние дрейфа на структуру области F2 ионосферы //Ионосферное прогнозирование. • 4J.: Наука, 1982. -С.79-81.

15. Бадин В.И., Дёминов М.Г,, Заярная Е.С. Повышение электронной концентрации над полярной шапкой //Ионосферное прогнозирование. -!,!.: .Наука,: 1932. -С.82-84*

16. Бадин В.И., Дё'иикова Г.Ф., Дёминов М.Г. Реакция ионосферы на прохождение ВГВ //Ионосферное прогнозирование. -М.: Наука, 1982. -СЛ13-П6,

17. Дёминой М.Г., Новиков В.М. Связь амплитуды и -Продолжительности бозыущеыя ночного среднеширотнсго слоя F2cинтенсивностью авроральной электроструи //Исследование условий распространения радиоволн. -М.: Наука, 1984. -C.I5I-I54.

18. Дёминов М.Г., Кии З.П., Шубкл В.Н. Аналитическая модель глобального распределения электрического поля магнитосфер-ной конвекции в ионосфере //Ионосферно-магнктосферные возмущения и их прогнозирование. -М.: Наука, 1984. -С.56-61.

19. Дёминов М.Г., Шубин В,Н, Увеличение олзктричэского поля на субавроральных; широтах //Прогнозирование ионосферы и условий распространения радиоволн.-''.¡Наука, 1965, -C.II9-122.

20. Дёминов М.Г,, Новцков В.М, Реакция ночдаЯ среднеяиротной ионосфера на электрическое поле магнитссферной суббури //Прогнозирование ионосферы и условий распространения радиоволн. -М. гЬ'аучд, 1985. -С.?3-62.

21. Дёминов М.Г., Карпачёв А,?. Долготный эффект в конфигураций- главного ионосферного провала, I, Положение провала //Геомагнетизм к аэрономия. -1985, -?Р26.~';1. -С.63-68.

£2. Дёминов М.Г., Карпачёв А.Г. Долготный аффект .в к'онфигура-.. ция Главного ионосферного провала. П. Форма прокола //Геомагнетизм и аэрономия, -1986, -Т.26»-.N'4, -С,63-68.

23, Бадин В.И., Дёминов М.Г, Распределение ионоз водорода во внешней ионосфере //Геомагнетизм и аэрономия. -I9S6, -Т.26. -»'4. -0,676-676,

24, Дёминов М.Г,, Дёминова Г.Ф,, Фельдштзйн А.Я. Аналитическая модель экваториальной области Р2 ионосферы //Геомагнетизм И-'аэрономия, -1386, -Г»26. -?Гб. -С.723-728.

25, Дёминов М,Г., Шубин В,Н»'Динамика субавроральной ионосферы в возмущённых условиях //Геомагнетизм и аэрономия. -1957. -Т.27. -.73, -С.3*3-403.

£6, Дёминов М.Г,, Карпачёв. А.Т. Долготный .эффект в ночной среднеширотной ионосфера по данным ИСЗ "Интеркосмос-19" //Геомагнетизм к аэрономия". -1938, -Т.26, -!*1.-С.?6~30.

27,--Дёминов'М.Г/, ДёминоЕа .Г.Ф, 'Ионосферные эффекты'ВГВ над магнитным якЕатором//Геомагнетизм и аэроношя. --I988. -Т.28.. -С,319-321, '

2Б. Дёминов М.Г,, Шубин В,Н. Эффекты ¡электрических полей в ночной субавроральной Р-области //Геомагнетизм И аэрономия. -1966 ¿Г,29i-wSQ...-С,409-416. ..."..

29. Дёминоз М.Г/, Пономарёва Л.И, Распространение-ВГВ в неоднородной атмосфере. //Геомагнетизм и аэрономия. -1968. -Т.28. -т. -С.612-514.

Деминов Марат. Гаруновйч •МЕХАКИЗШ СУББУРЬ. В ИОНОСФЕРЕ ■ Подписано к печати 7.06.89 г. Усл.печ.л. 2. Бесплатно, Заказ 214. Тираж 100 зкз. Т-18920. . "Отпечатано в ИЗГ/Э!РАН 142092,.г.Троицк Московской Области