Модификация глобальной численной модели верхней атмосферы земли для исследования высокоширотных явлений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Современное состояние численного моделирования процессов в верхней атмосфере (Обзор).

1.1. Ионосферные модели.

1.2. Ионосферно-термосферные модели.

1.3. Модели NCAR.

Глава 2. Глобальная численная модель верхней атмосферы Земли КО

ИЗМИРАН.

2.1. Структура модели.

2.2. Моделирующие уравнения.

2.2.1. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы.

2.2.1.1. Нейтральная атмосфера.

2.2.1.2. Нижняя ионосфера (D, Е и F1 области ионосферы).

2.2.2. Блок ионосферной Р2-области и протоносферы.

2.2.3. Блок расчета электрического поля.

2.3. Входные параметры модели.

2.4. Численные сетки.

Глава 3. Реконструкция глобальной численной модели верхней атмосферы

Земли.

3.1. Данные модели.

3.1.1. Рассчитываемые в модели параметры и общий алгоритм расчета

3.1.2. Размещение данных во время расчета в оперативной памяти компьютера.

3.1.3. Механизм указателей на массивы данных в памяти.

3.1.4. Повышение скорости работы программы.

3.2. Стандартная структура файлов данных модели.

3.2.1. Чередование ролей логических файлов с данными "шара" и трубки" в расчете.

3.3. Возможность задавать произвольное пространственное разрешение

3.3.1. Системы координат, используемые в модели.

3.3.2. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по широте.

3.3.3. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по высоте.

3.3.4. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по долготе.

3.3.5. Требования к модифицированной пространственной координатной сетке модели.

3.4. Обеспечение более гибкого задания внешнего ввода модели.

3.4.1. Изменение способов задания электрических полей и токов магнитосферного происхождения.

3.4.2. Модификация программы модели для произвольного задания электронных высыпаний.

3.5. Пакеты сервисных программ.

3.5.1. Программы сохранения и копирования наборов данных.

3.5.2. Программы извлечения результатов расчетов.

3.5.3. Программы графического представления данных.

3.5.4. Сохранение насчитанных данных непосредственно в ходе расчета

3.5.5. Примеры возможностей представления модельных данных.

Глава 4. Расчеты спокойных вариаций параметров верхней атмосферы с использованием модифицированной модели

4.1. Результаты тестирования.

4.1.1. Вариант с использованием эмпирической модели термосферы (МСИС-86).

4.1.2. Полностью самосогласованный вариант.

4.2. Сравнение результатов модельных расчетов для спокойных условий с эмпирическими моделями.

4.3. Исследование влияния джоулева разогрева и высыпаний мягких электронов на поведение термосферы и ионосферы над ЕИСКАТ.

4.3.1. Исследование влияния выбора широтных шагов интегрирования на результаты модельных расчётов параметров термосферы.

4.3.2. Исследование влияния джоулева разогрева на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ.

4.3.3. Исследование влияния нагрева мягкими высыпающимися электронами на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ.

4.3.4. Исследование влияния высыпаний мягких электронов на концентрацию и температуру электронов и ионов в Р2-области над

ЕИСКАТ.

4.4. Численное моделирование скорости диссипации турбулентной энергии в высокоширотной мезосфере.

4.4. Численное моделирование долготной вариации электронной плотности в верхней ионосфере.

Глава 5. Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время геомагнитных возмущений.;.

5.1. Ионосферная суббуря над ЕИСКАТ 25 марта 1987 года.

5.2. Термосферное возмущение во время суббури 25 марта 1987 года.

5.3. Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время длительных усилений магнитосферного электрического поля (геомагнитных бурь).

Целью научного познания природы является выявление закономерностей, определяющих поведение объектов действительности. В естественных науках эти закономерности принимают вид математических соотношений между количественными характеристиками природных объектов и процессов. Весь процесс научного исследования можно разделить на несколько последовательных этапов: накопление критической массы экспериментального материала, организация его с целью выявления закономерности и формулировка этой закономерности в виде гипотезы, проверка ее в ситуациях, отсутствующих в первоначальном массиве опытных данных.

Этот элементарный цикл познания бесконечно повторяется, причем можно выделить два различных вида повторений: во-первых, сходящийся итерационный процесс уточнения выявленной закономерности, определения границ ее применимости и степени точности, и во-вторых, происходящий на качественно более высокой ступени процесс обобщения различных закономерностей в закон следующего уровня, для которого в качестве элементарных экспериментальных фактов выступают сами ранее выявленные закономерности. По мере движения по этой лестнице обобщений вверх все более сложной становится проверка гипотезы вне исходного массива данных. Из опыта могут быть получены только элементарные экспериментальные факты самого низкого уровня. Свести к ним закономерности высшего уровня стандартными математическими методами не всегда возможно в принципе, и уж по крайней мере сложно. Обычный прием для этого - выявление ситуаций, где одними закономерностями промежуточного уровня (процессами) можно пренебречь по сравнению с другими (условие "много меньше"), и анализ таких крайних упрощенных случаев. Но взаимодействие процессов может быть выявлено только тогда, когда производимые ими эффекты сравнимы между собой. С ростом же числа таких взаимодействующих процессов сложность аналитического исследования их возрастает многократно.

В принципе, метод проверки таких закономерностей высшего порядка путем аккуратного сведения их к предсказанию элементарных опытных фактов, которые можно непосредственно наблюдать, известен давно - это численное моделирование. Но огромные объемы требуемых расчетов оставляли его лишь абстрактной возможностью, и только в сверхважных случаях, когда на карте стояли государственные безопасность и престиж, как в космических и ядерных проектах, эта возможность реализовывалась. Лишь с появлением ЭВМ численное моделирование стало действительно эффективным методом научных исследований и начало бурно развиваться.

Одна из областей применения методов численного моделирования в геофизике - изучение магнитосферы, ионосферы и нейтральной атмосферы Земли, часто объединяемых в единое понятие верхней атмосферы. Исследование этой области пространства приобретает все большее значение в связи с развитием глобальных коммуникационных систем и практическим освоением ближнего космоса. В ней действует множество процессов различной физической природы. Частицы солнечного ветра вместе с переносимым ими ММП стремятся вторгнуться в магнитное поле Земли, генерируя электрические поля, дрейфы плазмы и токи, электромагнитное излучение Солнца диссоциирует и ионизирует атмосферные частицы, они вступают в различные химические реакции, рекомбинируют, внесенная в атмосферу солнечная энергия перераспределяется за счет переноса ветрами, возникающими из-за неравномерного разогрева, и теплопроводности, вращающаяся Земля увлекает за собой атмосферу, солнечные вспышки постоянно нарушают спокойное течение процессов. Самим своим существованием ионосфера обязана этим процессам, балансу между их противоборствующими воздействиями. Аккуратный учет вклада каждого из них в суммарный результат возможен только методами численного моделирования.

В последние годы метод математического моделирования физических процессов в верхней атмосфере Земли прочно занял передовые позиции в мировой геофизической науке как средство интерпретации результатов комплексных экспериментов и наблюдений, в первую очередь данных установок некогерентного рассеяния и спутниковых данных. Значительный прогресс в развитии метода и его успешное применение при решении многих проблем взаимодействия между различными областями системы страто-мезо-термосфера - ионосфера -магнитосфера Земли обязаны прежде всего бурному прогрессу в области компьютерной технологии, позволяющему быстро перерабатывать огромные объемы информации и решать все более сложные задачи математической физики численными методами. Современные теоретические модели этой системы представляют собой системы гидродинамических уравнений, описывающих законы сохранения частиц, импульса и энергии (уравнения непрерывности, движения и теплового баланса соответственно) тепловых компонент атмосферы, часто дополненные уравнениями для некоторых других процессов, влияющих на ее поведение, например, электрического поля или функции распределения сверхтепловых электронов. В понятие "теоретическая модель" включается, кроме того, необходимый набор начальных и граничных условий, а также алгоритм численного решения моделирующих уравнений.

Численные теоретические модели обладают рядом преимуществ перед традиционными эмпирико-статистическими. Степень их адекватности моделируемой системе выше, так как в основе их лежат физические закономерности, реально управляющие поведением среды в природе, а не наборы усредненных по многим различным состояниям результатов измерений отдельных параметров. Только такие модели способны воспроизвести конкретную глобальную геофизическую ситуацию, динамику поведения верхней атмосферы при конкретном пространственно-временном распределении внешних воздействий. Только они позволяют выделить и исследовать роль различных конкурирующих процессов и их взаимовлияние. Таким образом, теоретические модели углубляют наше понимание явлений, происходящих в ближайшем космическом окружении Земли.

Математическое моделирование околоземной среды бурно развивается в последние десятилетия как инструмент исследования геофизических процессов и прогнозирования их развития. В Советском Союзе одной из ведущих была калининградская школа ионосферного моделирования, создавшая ряд ионосферных, плазмосферных и термосферных моделей, объединённых в середине 80-х годов в единую глобальную модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли.

Эта модель описывала крупномасштабные характеристики верхней атмосферы Земли с широтным разрешением 5 градусов для ионосферных параметров и 10 градусов для термосферных и временным разрешением 20 минут. Такое разрешение диктовалось возможностями ЭВМ того времени, и оно, будучи приемлемым для средних широт, было недостаточным для исследований явлений в высоких широтах, где такие яркие структуры как авроральный овал и главный ионосферный провал имеют широтные размеры порядка нескольких градусов, а их временные вариации имеют масштаб порядка получаса.

В Полярном Геофизическом Институте передо мной были поставлена задача модифицировать глобальную численную модель верхней атмосферы Земли для исследований высокоширотных явлений, что определило название диссертации, и провести такие исследования.

Таким образом:

Целью настоящей работы является дальнейшее развитие и совершенствование глобальной теоретической модели системы "нейтральная атмосфера - ионосфера - плазмосфера Земли" (объединяемых далее для краткости понятием "верхняя атмосфера"), а именно:

- повысить ее пространственное разрешение для обеспечения возможности воспроизводить высокоширотные физические процессы;

- повысить гибкость модели и упростить работу с ней;

- проверить адекватность модифицированной модели сравнением с наблюдениями как для спокойных, так и для возмущенных условий,

- проверить способность модели воспроизводить и объяснять физику высокоширотных процессов;

- исследовать ионосферно-термосферные эффекты магнитосферных возмущений.

Научная новизна и практическая значимость настоящей работы состоит в том, что:

Разработана новая версия глобальной численной теоретической модели верхней атмосферы Земли с переменным шагом численного интегрирования по широте, позволившая резко повысить пространственное разрешение модели без заметных потерь в производительности. Такое решение предложено и реализовано впервые в практике мирового ионосферного моделирования.

Модель дополнена возможностью менять пространственное разрешение также по долготе и высоте и высоту нижней границы моделируемой области, что позволяет выбирать требуемое разрешение по всем трем измерениям.

Модель создана в виде единого программного комплекса, включающего, кроме собственно моделирующей программы, ряд вспомогательных программных пакетов, освобождающих физика-исследователя от необходимости углубляться в тонкости реализации сеточных методов и представляющих для него моделируемую область как сплошную среду.

С использованием модифицированной модели проведено моделирование ряда геофизических ситуаций, продемонстрировавшее способность ее адекватно воспроизводить процессы в высокоширотной ионосфере и, следовательно, прогнозировать их развитие:

• проведены расчеты спокойного состояния системы атмосфера-ионосфера с различными по густоте сетками, показавшие, что сетка с переменным шагом позволяет корректно воспроизвести локальные мелкомасштабные особенности, и в то же время дает значительный выигрыш по скорости расчета и требуемым машинным ресурсам по сравнению с сеткой с постоянным шагом того же разрешения;

• изучены причины возникновения долготной вариации электронной плотности в верхней ионосфере. Показано, что главной причиной возникновения долготной вариации в ионосфере является влияние термосферного ветра, различное в различных долготных секторах из-за различной ориентации силовых линий магнитного поля Земли на одних и тех же географических широтах, что вызвано несовпадением географической и геомагнитной осей; промоделирована скорость диссипации турбулентной энергии в высокоширотной мезосфере и нижней термосфере. Найдены формы вертикальных профилей и сезонной и широтной вариации коэффициента турбулентной диффузии, дающие наилучшее согласие модельных расчетов с результатами измерений; исследованы различные источники нагрева, действующие в высокоширотной атмосфере, и их влияние на температуру и состав термосферы. Показано, что сетка с переменным шагом, сгущенная в области высоких широт, позволяет описать эти процессы гораздо корректнее; промоделированы ионосферные и термосферные эффекты геомагнитной суббури 25 марта 1987 г. с использованием вариантов программы как с эмпирической моделью термосферы MSIS, так и полностью самосогласованной модели. Результаты моделирования сравнивались с реальными измерениями на установке ЕИСКАТ. Показано, что корректное воспроизведение теплового источника возможно только с использованием самосогласованной модели и при пространственном разрешении, соответствующем характерному масштабу этого источника. Получена реалистичная картина распространения возмущения термосферного ветра в виде внутренней гравитационной волны, предпринята попытка дополнить модель блоком расчета параметров магнитосферного плазменного слоя и продольных токов зоны 2. С этим вариантом магнитосферного блока было проведено моделирование ионосферно-термосферных эффектов длительного усиления разности потенциалов поперёк полярной шапки (магнитосферной бури) с учётом его экранирования токами зоны 2. Были воспроизведены все основные особенности ионосферно-термосферной бури (изменения термосферной циркуляции и газового состава, глобальное уменьшение электронной концентрации).

На защиту выносятся следующие положения:

Модифицированная версия трехмерной глобальной численной теоретической модели системы "термосфера - ионосфера - протоносфера Земли", дополненная возможностью легко менять пространственное разрешение по любому из трех измерений, в том числе задавать произвольный переменный шаг сетки по широте. Эта версия включает главную расчетную программу с переработанными алгоритмами, новую стандартную структуру данных модели, а также пакет программ сопровождения модели для сохранения, копирования и интерполяции из одной сетки в другую глобальных распределений расчетных параметров.

Результаты численного моделирования спокойных и возмущенных вариаций параметров верхней атмосферы: концентраций нейтральных и заряженных компонент, температур, скоростей движения, электрического потенциала — и их физическая интерпретация.

Апробация результатов и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII и VIII International EISCAT Workshops (Tromso, Norway, 1993; Cargese, France, 1995; Leicester, UK, 1997), IUGG XXI General Assembly (Boulder, CO, 1995), 3 совещании памяти В.П.Шабанского "Математические модели ближнего космоса" (Москва, МГУ, 1993), Международных конференциях по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, СПбГУ, 1996, 2000), Апатитских семинарах по физике авроральных явлений (1994, 1995, 1996, 2000) и др. По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 7 статей и 19 тезисов докладов. Кроме того, модифицированная версия модели использовалась в целом ряде исследований, выполненных другими авторами в Полярном геофизическом институте и Мурманском государственном техническом университете.

Исследования были поддержаны рядом грантов Фонда Сороса и РФФИ.

Заключение

Таким образом, основные результаты настоящей работы могут быть сформулированы в следующем виде:

- разработана новая версия программы глобальной численной модели верхней атмосферы Земли, отличающаяся возможностью задания переменного шага сетки по широте и произвольного постоянного шага по долготе, что позволяет увеличивать пространственное разрешение модели в интересующих областях. Эта версия включает новую стандартную структуру данных модели, главную расчетную программу с переработанными алгоритмами, а также пакет программ сопровождения модели для сохранения, копирования и интерполяции из одной сетки в другую глобальных распределений расчетных параметров;

- разработан пакет сервисных программ для обслуживания глобальной численной модели верхней атмосферы Земли, позволяющий извлекать все моделируемые параметры и различные функции от них и представлять их в различных удобных для восприятия видах.

С использованием версии глобальной численной модели верхней атмосферы Земли с переменными пространственными шагами сетки проведено моделирование ряда геофизических ситуаций, продемонстрировавшее способность ее адекватно воспроизводить процессы в высокоширотной ионосфере:

- проведены расчеты спокойного состояния системы атмосфера-ионосфера с различными по густоте сетками, показавшие, что сетка с переменным шагом действительно позволяет корректно воспроизвести локальные мелкомасштабные особенности, и в то же время дает значительный выигрыш по скорости расчета и требуемым, машинным ресурсам по сравнению с сеткой с постоянным шагом того же разрешения;

- изучены причины возникновения долготной вариации электронной плотности в верхней ионосфере. Показано, что главной причиной возникновения долготной вариации в ионосфере является влияние термосферного ветра, различное в различных долготных секторах из-за различной ориентации силовых линий магнитного поля Земли на одних и тех же географических широтах, что вызвано несовпадением географической и геомагнитной осей;

- промоделирована скорость диссипации турбулентной энергии в высокоширотной мезосфере и нижней термосфере. Найдены формы вертикальных профилей и сезонной и широтной вариации коэффициента турбулентной диффузии, дающие наилучшее согласие модельных расчетов с результатами измерений;

- промоделированы ионосферно-термосферные эффекты изолированной суббури с учётом токового клина суббури в расчётах электрического поля. Результаты моделирования сравнивались с измерениями ряда параметров на установке ЕИСКАТ. Дана физическая интерпретация вариаций электронной концентрации и ионной температуры в терминах динамики ионосферного провала. Показано, что корректное воспроизведение источника разогрева термосферы возможно только с использованием самосогласованной модели и при пространственном разрешении, соответствующем характерному масштабу этого источника. Получена реалистичная картина распространения возмущения термосферного ветра в виде внутренней гравитационной волны.

1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. -М.: Наука, 527 е., 1988.

2. Волков М.А., Мартыненко О.В., Намгаладзе А.А., Намгаладзе А.Н. Численное моделирование высокоширотных ионосферных эффектов суббури. -Математические модели ближнего космоса, 3-е совещание памяти В.П.Шабанского. Тезисы докладов, М„ НИИЯФ МГУ, 1993.

3. Волков М.А., Мартыненко О.В. Влияние неоднородной ионосферной проводимости на электрические поля и токи в полуночном секторе. Геомагнетизм и аэрономия, т.34, No. 1, 1994.

4. Голиков И.А. Численное моделирование крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроральной ионосферы. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. — Иркутск, СО РАН, ин-т солнечно-земной физики, 1994.

5. Денисенко В.В. Математическое моделирование глобальных распределений электрических полей и токов в ионосфере Земли. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Новосибирск, ВЦ СО РАН, 1997.

6. Захаров В.Е. Модель конвекции плазмы ионосферы и внутренней магнитосферы. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. СПб, СПбГУ, 1994.

7. Иванов-Холодный Г.С., Нусинов А.А. Коротковолновое излучение Солнца и его воздействие на верхнюю атмосферу и ионосферу. — Исследования космического пространства, т.26, с.80-154, 1987.

8. Карпов И.В., Смертин В.М., Бессараб Ф.С. Трехмерная нестационарная модель термосферы.-Препринт ИЗМИРАН№49(582), М., 28 е., 1985.

9. Клименко В.В., Намгаладзе А.А. О роли конвекции в формировании провала и плазмопаузы. Геомагнетизм и аэрономия, т.20, с.946-950, 1980.

10. Колесник А.Г., Голиков И.А., Чернышев В.И., Математические модели ионосферы. -МГП "Раско", Томск, 1993.

11. Кореньков Ю.Н. Влияние движений в нейтральной атмосфере на сезонно-суточное поведение слоя Es. Геомагнетизм и аэрономия, т.19, №1, с.27-33,1979.

12. Латышев К.С., Намгаладзе А.А. О методах численного решения задачи моделирования среднеширотной ионосферы. Вопросы моделирования ионосферы, Калининград, с.36-44,1975.

13. Латышев К.С., Захаров Л.П., Суроткин В.А. Реализация алгоритмов численного решения задачи моделирования среднеширотной ионосферы на ЭВМ. -Вопросы моделирования ионосферы, Калининград, с.45-47, 1975.

14. Ляцкий В.Б., Мальцев Ю.П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. М., Наука, 192 е., 1983.

15. Мартынеико О.В., АА.Намгаладзе, А.Н.Намгаладзе, В.А.Шлыков. Численное моделирование долготных вариаций электронной концентрации в ионосфере и плазмосфере Земли. — Тезисы докладов 11-й научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, 2000.

16. Намгаладзе А.А., Клименко В.В., Саенко Ю.С. Моделирование ионосферного провала и плазмопаузы. Динамические процессы и структура полярной ионосферы, Апатиты, ПГИ, с.3-10, 1980.

17. Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В., Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Суроткин В.А., Глущенко Т.А., Наумова Н.М. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли. Геомагнетизм и аэрономия, т.ЗО, с.612-619, 1990.

18. Намгаладзе А.А., Латышев КС., Никитин М.А. Динамическая модель невозмущенной ионосферы. Препринт ИЗМИР АН Ns7, М., 16с., 1972.

19. Намгаладзе А.А., Мартыненко О.В., Намгаладзе А.Н. Глобальная модель верхней атмосферы с переменным шагом интегрирования по широте. Геомагнетизм и аэрономия, т.36, No.2, с.89-95, 1996.

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

21. Намгаладзе А.А., Мартыненко О.В., Холл К. Интерпретация измерений турбулентности в мезосфере. Тезисы докладов 8-й научно-технической конференции МГТУ, Мурманск, с.68-69, 1997.

22. Пирог О.М., Полех Н.М., Чистякова Л.В. Долготные вариации критических частот Р2-слоя в высоких широтах. Геомагнетизм и аэрономия, т.40, №2, с. 107-111, 2000.

23. Пудовкин М.И., Захаров В.Е. Исследование динамических процессов в магнитосферной плазме. Магнигпосферные исследования, No.3, с.67-85, 1984.

24. Смертин В.М. О методах численного решения задачи моделирования внутренних гравитационных волн, генерируемых авроральной электроструей. -Исследование ионосферной динамики. М., ИЗМИРАН, с.100-107,1979.

25. Суроткин В.А., Клименко В.В., Намгаладзе А.А. Численная модель экваториальной ионосферы. Исследование ионосферной динамики. М., ИЗМИРАН, с.58-68, 1979.

26. Уваров В.М. Электрические поля магнитосферной конвекции и структура полярной ионосферы. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. СПб, СПбГУ, 1994.

27. Физика околоземного космического пространства. Апатиты, КНЦ РАН, с.336-360, 2000

28. Appleton, E.V., and L.J.Ingram, Magnetic storms and upper-atmospheric ionization, -Nature, v. 136, p.548-549, 1935.

29. Appleton, E.V., and W.R.Piggot, The morphology of storms ш the F2 layer of the ionosphere, 1, Some statistical relationships, J.Atmos.Terr.Phys., v.2, p.236-252,1952.

30. Burns, A.G., T.L.Killeen, and R.G.Roble. A theoretical study of thermospheric composition perturbations during an impulsive geomagnetic storm. J.Geophys.Res., v.96,p.l4,153-14,167, 1991.

31. Burns, A.G., T.L.Killeen, W.Deng, G.R.Carignan, and R.G.Roble, Geomagnetic storm effects in the low- to middle-latitude upper thermosphere, J.Geophys.Res., v.100, No.A8,p.l4,673-14,691, 1995.

32. Chandra, S., and N.W.Spencer, Thermospheric storms and related ionospheric effects, -J.Geophys.Res., v.81, p.5018-5026, 1981.

33. Collis, P.N., and I.Haggstrom. High resolution measurements of the main ionospheric trough using EISCAT. Adv. Space Res. v.9, p.(5)45-(5)48, 1989.

34. Collis, P.N., and I.Haggstrom. High-latitude ionospheric response to a geomagnetic sud den commencement. J.Atmos.Terr.Phys., v. 53, p.241-248, 1991.

35. Dickinson, R.E., E.C.Ridley, and R.G.Roble. A three-dimensional general circulation model of the thermosphere. J.Geophys.Res., v.86, p.1499-1512, 1981.

36. Dickinson, R.E., E.C.Ridley, and R.G.Roble. Thermospheric general circulation with coupled dynamics and composition. J.Atmosph.Sci., v.41, p.205-219, 1984.

37. Duncan, R.A. F-region seasonal and magnetic storm behaviour, J.Atmos. Terr.Phys., v.31, p.59-70,1969.

38. Evans, J.V., J.M.Holt, W.L.Oliver, and R.H.Wand. The fossil theory of nighttime high latitude F-region troughs. J.Geophys.Res., v.68, p.7769-7782,1983.

39. Fedder, J.A., S.P. Slinker, J.G. Lyon, and R.D. Elphinstone. Global numerical simulation of the growth phase and the expansion onset for a substorm observed by Viking . -J. Geophys. Res.,v. 100, p.19,083, 1995.

40. Forbes, J.M., R.G.Roble, and F.A.Marcos. Thermospheric dynamics during the March 22, 1979, magnetic storm. 2. Comparisons of model predictions with observations. -J.Geophys.Res., v.92, p.6069-6081, 1987.

41. Forster, M., А.А. Namgaladze, and R.Y.Yurik. Thermospheric composition changes deduced from geomagnetic storm modeling. Geophys.Res.Let., v.26, p.2625-2628, 1999

42. Fuller-Rowell, T.J., and D.Rees. A three-dimensional, time-dependent global model of the thermosphere. -J.Atrnosph.Sci., v.37, p.2545-2567, 1980.

43. Fuller-Rowell, T.J., and D.Rees. Derivation of a conservation equation for mean molecular weight for a two-component gas within a three-dimensional, time-dependent model of the thermosphere. Planet.Space Set, v.31, p.1209-1222, 1983.

44. Fuller-Rowell, T.J., and D.Rees. Interpretation of anticipated long-lived vortex in the lower thermosphere following simulation of an isolated substorm. Planet.Space Sci., v.32, p.69-85, 1984.

45. Fuller-Rowell, T.J., D.Rees, S.Quegan, G J.Bailey, and R.J.Moffett. The effect of realistic conductivities on the high-latitude neutral thermospheric circulation. Planet.Space Sci., v.32, p.469-480, 1984.

46. Fuller-Rowell, T.J., D.Rees, S.Quegan, G.J.Bailey, and R.J.Moffett. Interactions between neutral thermospheric composition and the polar ionosphere using a coupled ionosphere-thermosphere model.-J.Geophys.Res., v.92, p.7744-7748, 1987.

47. Fuller-Rowell, T.J., M.V.Codresku, RJ.Moffett, and S.Quegan. Response of the thermosphere and ionosphere to geomagnetic storms. J.Geophys.Res., v.99, p.3893-3914,1994.

48. Fuller-Rowell, T.J., M.V.Codresku, H.Rishbeth, RJ.Moffett, and S.Quegan. On the seasonal response of the thermosphere and ionosphere to geomagnetic storms. -J.Geophys.Res., v.101, p.2343-2353,1996.

49. Haggstrom, I., and P.N.Collis. Ion composition changes during F-region depletions in the presence of electric field at auroral latitudes, JAtmos.Terr.Phys., v.52, p.519-530, 1990.

50. Hall, C.M. Kilometer scale kinetic energy perturbations in the mesosphere derived from EISCAT velocity data. Radio Sci., v.32, p.93-101, 1997.

51. Hall, C.M., Blix T.A., Thrane E.V. and Lubken F.-J. Seasonal variation of mesospheric turbulent energy dissipation rates over northern Scandinavia. Geophys.Res. Lett., v.24, 1997a.

52. Hall, C.M., A.Brekke, O.V.Martynenko, A.A.Namgaladze. EISCAT measurements and model calculations of the turbulent energy dissipation in the high-latitude mesosphere. VIIIInternational EISCAT Workshop, Leicester, Abstracts, 6, 1997b.

53. Hall, C.M., A.Brekke, O.V.Martynenko, A.A.Namgaladze. Modelling turbulent energy dissipation in the high-latitude mesosphere. J. Atmos, Solar-Terr. Phys., v.60, No.3,p.331-336, 1998.

54. Hardy, D.A., M.S.Gussenhoven, and E.Holeman. A statistical model of auroral electron precipitation. -J.Geophys.Res., v.90, p.4229-4248, 1985.

55. Harel, M., R.A. Wolf, P.H.Reiff, R.W.Spiro, and C.K.Chen. Quantitative simulation of a magnetospheric substorm. 2. Comparison with observations. J.Geophys.Res., v.86, p.2242-2260, 1981.

56. Hays, P.B., R.A.Jones, and M.H.Rees. Auroral heating and the composition of the neutral atmosphere. Planet. Space Sci., v. 21, p.559-573, 1973.

57. Hedin, A.E. MSIS-86 thermospheric model.-J.Geophys.Res., v.92, p.4649-4662, 1987.

58. Hedin, A.E. Extension of the MSIS thermosphere model into the middle and lower atmosphere. -J.Geophys.Res., v.96, p.l 159-1172,1991.

59. Heppner, J.P., and N.C.Maynard. Empirical high latitude electric field models, -J.Geophys.Res., v.92, p.4467-4489, 1987.

60. Makita, K., C.-I.Meng, and S.-I.Akasofu. Temporal and spatial variations of the polar cap dimension inferred from the precipitation boundaries. J.Geophys.Res., v.90, p.2744-2752, 1985.

61. Maeda, S., T.J.Fuller-Rowell, and D.S.Evans. Zonally averaged dynamical and compositional response of the thermosphere to auroral activity during September 1824, Ш4.-J.Geophys.Res., v.94, p.16,869-16,883, 1989.

62. Martynenko O.V., A.A.Namgaladze , A.N.Namgaladze, V.A.Shlykov. Numerical modeling of the longitudinal variations in the near-earth plasma. // Physics of Auroral Phenomena, ХХШ Annual Apatity Seminar, Apatity, Russia, p.37,2000.

63. Matuura, N. Theoretical models of ionospheric storms. Space Sci.Rev., v. 13, p.124-189, 1972.

64. Mayr, H.G., and H.Volland. Magnetic storm characteristics of the thermosphere. -J.Geophys.Res., v.78, p.2251-2264, 1973.

65. Mikhailov, A.V., M.G.Skoblin, and M.Forster. Daytime F2-layer positive storm effect at middle and lower latitudes. Ann. Geophys., v.l 3, p.532-540, 1995.

66. Millward, G.H., S.Quegan, R.J.Moffett, T.J.Fuller-Rowell, and D.Rees. A modelling study of the coupled ionospheric and thermospheric response to an enhanced high-latitude electric field event. Planet.Space Sci., v.41, p.45-56, 1993a.

67. Millward, G.H., R.J.Moffett, S.Quegan, and T.J.Fuller-Rowell. Effects of an atmospheric gravity wave on the midlatitude ionospheric F layer. J.Geophys.Res., v.98, p.19,173-19,179, 1993b.

68. Namgaladze, A.A., M. Forster, and R.Y.Yurik. Analysis of the positive ionospheric response to a moderate geomagnetic storm using a global numerical model. -Ann.Geophys. v. 18., p.461-477, 2000

69. Namgaladze, A.A., K.S.Latishev, Yu.N.Korenkov, and L.P.Zakharov. A dynamical model of the midlatitude ionosphere for the height range from 100 to 1000 km. Acta Geophysica Polonica, v.25, No.3, p. 173-182, 1977.

70. Namgaladze, A.A., Yu.N.Korenkov, V.V.Klimenko, I.V.Karpov, F.S.Bessarab, V.A.Surotkin, T.A.Glushchenko, and N.M.Naumova. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. Pure and Appl. Geophys., v.l27, p.219-254, 1988.

71. Namgaladze, A.A., Yu.N.Korenkov, V.V.Klimenko, I.V.Karpov, V.A.Surotkin, and N.M.Naumova. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. J. Atmos. Terr. Phys.,\.53, p. 1113-1124, 1991.

72. Namgaladze, A.A., Yu.N.Korenkov, V.V.Klimenko, I.V.Karpov, V.A.Surotkin, F.S.Bessarab, and V.M.Smertin. Numerical modelling of the global coupling processes in the near-earth space environment. COSPAR Coll.Ser., 5, p.807-811, 1994.

73. Namgaladze A.A., O.V.Martynenko, A.N.Namgaladze. Global Model of the Upper Atmosphere With Variable Latitudinal Integration Step. Geomagnetism and Aeronomy International, v. 1, No. 1, p.53-58, 1998a.

74. Namgaladze A.A., O.V.Martynenko, M.A.Volkov, A.N.Namgaladze, R.Yu.Yurik. High-latitude version of the global numerical model of the Earth's upper atmosphere. -Proceedings of the MSTU, v.l, No.2, p.23-84, 1998b

75. Namgaladze A.A., Namgaladze A.N., Martynenko O.V. Global Model of the Upper Atmosphere With Variable Latitudinal Steps of Numerical Integration. IUGG XXI General Assembly, Abstracts, GAB41F-6, BI50, Boulder, CO, 1995c.

76. Peymirat, C. and D.Fontaine. Numerical simulation of magnetospheric convection including the effect of field-aligned currents and electron precipitation model. -J.Geophys.Res., v.99, p.11,155, 1994.

77. Peymirat C., AD.Richmond, and A.T.Kobea. Electrodynamic coupling of high and low latitudes: simulations of shielding/overshielding effects. J.Geophys.Res., v.l05, No.A10, p.22,991-23,003,2000.

78. Prolss, G.W. Magnetic storm associated perturbations of the upper atmosphere: Recent resultes obtained by satellite-borne gas analyzers. Rev. Geophys., v. 18, p. 183-202, 1980.

79. Rice, D.D., R.D.Hunsucker, L.J.Lanzerotti, G.Growley, PJ.S.Williams, J.D.Graven, and L.Frank. An observation of atmospheric gravity wave cause and effect during the October 1985 WAGS campaign. Radio Science, v.23, p.919-938, 1988.

80. Richmond, A.D., and S.Matsushita. Thermospheric response to a magnetic substorm. -J.Geophys.Res., v.80, p.2839-2850, 1975.

81. Richmond, A.D., E.C.Ridley, and R.G.Roble. A thermosphere-ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics. Geophys.Res.Lett., v.19, p.601-604,1992.

82. Roble, R.G., J.M.Forbes, and F.A.Marcos. Thermospheric dynamics during the March 22, 1979, magnetic storm. 1. Model simulations. J.Geophys.Res., v.92, p.6045-6068, 1987.

83. Roble, R.G., and E.C.Ridley. A thermosphere-ionosphere-mesosphere-electrodynamics general circulation model (TIME-GCM): equinox solar cycle minimum conditions (30-500 km). Geophys.Res.Lett., v.21, p.417-420, 1994.

84. Roble, R.G., E.C.Ridley, and RE.Dickinson. On the global structure of the thermosphere. J.Geophys.Res., v.92,p.8745, 1987

85. Roble, R.G., E.C.Ridley, A.D.Richmond, and R.E.Dickinson. A coupled thermosphere/ionosphere general circulation model. Geophys.Res.Lett., v. 15, p.1325-1328, 1988.

86. Schunk, R.W. A mathematical model of the middle and high latitude ionosphere. Pure andAppl.Geophys., v. 127, p.255-303,1988.

87. Schunk, R.W., and J.J.Sojka. Ionospheric hot spots at high latitudes. Geophys.Res.Lett., v.9, p. 1045-1048,1982.

88. Schunk, R.W., and J.C.G.Walker. Theoretical ion densities in the lower ionosphere. -Planet. Space Sci., v.21, p. 1875, 1973.

89. Schunk, R.W., P.M.Banks, and W.J.Raitt. Effects of electric fields and other processes upon the nighttime high-latitude F layer. J.Geophys.Res., v.81, p.3271, 1976.

90. Schunk, R.W., and W.J.Raitt. Atomic nitrogen and oxygen ions in the daytime high-latitude F region. J.Geophys.Res., v.85, p. 1255, 1980.

91. Schunk, R.W., J.J.Sojka, and M.D.Bowline. Theoretical study of the electron temperature in the high-latitude ionosphere for solar maximum and winter conditions. -J.Geophys.Res., v.91, p.12,041, 1986.

92. Seaton, M J. A possible explanation of the drop in F-region critical densities accompanying major ionospheric storms. J.Atmos.Terr.Phys., v.8, p. 122-124, 1956.

93. Sheen, D.R., and C.H.Liu. Modelling F region gravity waves observed during the WAGS campaign. 1. Special event. Radio Sci., v.23, p.879-904, 1988.

94. Sojka, J.J., and R.W.Schunk. A theoretical study of the high latitude F region's response to magneto spheric storm inputs. J.Geophys.Res., v.88, p.2112-2122, 1983.

95. Sojka, J.J., and R.W.Schunk. A theoretical F region study of ion composition and temperature variations in response to magnetospheric storm inputs. J.Geophys.Res., v.89, p.2348-2358,1984.

96. Sojka, J.J., and R.W.Schunk. A theoretical study of the global F region for June solstice, solar maximum and low magnetic activity. J.Geophys.Res., v.90, p.5285, 1985.

97. Sojka, J.J., R.W.Schunk, M.D.Bowline, J.Chen, S.Slinker, and J. Fedder. Driving a physical ionospheric model with a magnetospheric MHD model. J.Geophys.Res., v.102, p.22,209, 1997.

98. Sojka, J.J. Global scale physical models of the F-region ionosphere. Rev.Geophys., v.27, p.371-403, 1989.

99. Sojka, J. J., and R.W. Schunk. A model study of how electric field structures affect the polar cap F-region. J.Geophys.Res., v.93, p.884-896, 1988.

100. Sojka, J.J., R.W.Schunk, and W.F.Denig. Ionospheric response to the sustained high geomagnetic activity during the March '89 great storm. J.Geophys.Res., v.99, p.21,341-21,352,1994.

101. Volkov, M.A.,and A.A.Namgaladze. Models of field-aligned currents needful to simulate the substorm variations of the electric field and other parameters observed by EISCAT. -Ann. Geophysicae, v. 14, p.1356-11361, 1996.

102. Volkov, M.A., O.V.Martynenko, and A.A.Namgaladze, MHD-magnetospheric block for the global numerical model of the Earth's upper atmosphere. "Physics of Auroral Phenomena", Proc. XIXAnnual Seminar, Apatity, p.101-102,1996a.