Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроральной ионосферы

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроральной ионосферы"

Г 5 ' л.- .

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 550.388.2

ГОЛИКОВ Иннокентий Алексеевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОШИРОТНОЙ И СУБАВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ

Специальность 04.00.22 - Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 550.388.2

ГОЛИКОВ Иннокентий Алексеевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОШИРОТНОЙ И СУБАВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ

Специальность 04.00.22 • Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа выполнена в Якутском государственном университете им. М.К.Аммосова ГосКомВУЗа РФ,

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Никитин М.А-. доктор физико-математических наук Кошелев В.В. доктор физико-математических наук Кринберг H.A.

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится " " _199,^ГГ. в

_ час. на заседании специализированного совета Д.003.24.01 при

Институте солнечно-земной физикй СО РАН (664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ. Автореферат разослан "- _199¿ г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

Галкин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возрастающий интерес к исследованию высокоширотной и субавроральной ионосферы обусловлен как, сточки зрения науки, так и практики.

В научном отношении эти области ионосферы менее изучены по сравнению со среднеширотной. Здесь протекают процессы, отсутствующие в других широтных зонах. Так, высокоширотная ионосфера, к которой относят ионосферу на геомагнитных широтах Л > 65" , включающих авроральную зону (А : 65° 75° ) и полярную шапку (А > 75° ), наиболее тесно связана с магнитосферой и протекающими в ней процессами, а через нее и с солнечным ветром. Главными особенностями высокоширотной ионосферы являются: высыпание энергичных частиц из магнитосферы, существование электрических полой магни-тосферного происхождения и полярного ветра - сверхзвукового истечения легких ионов из полярной шапки. А в субавроральной ионосфере (А : 55" -г 65° ), которая является переходной областью от средних широт к высоким, протекают процессы формирования пл&змопаузы -опустошение и наполнение геомагнитных силовых трубок, опирающихся на широтах данной области. Исследование роли этих процессов в формировании крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроральной ионосферы составляют важную научную задачу. С другой стороны, крупномасштабная структура этих областей ионосферы полностью определяет характер распространения радиоволн как на местных полярных, так и на трансполярных радиотрассах. Прогноз состояния ионосферы вдоль этих радиотрасс, а также навигация космических аппаратов, являются важными народнохозяйственными задачами.

Успешное решение этих задач предполагает создание математической модели, адекватно описывающей морфологию высокоширотной и

субавроральной ионосферы как сложной системы, находящейся в плазменном состоянии. Создание такой модели представляет собой сложную проблему, для решения которой требуется решить систему многомерных нестационарных нелинейно взаимосвязанных уравнений многокомпонентной магнитной гидродинамики в переменных Эйлера (эйлеров подход), учитывающих все основные физико-химические процессы, протекающих в данном районе ионосферы. К началу исследований автора решение такой задачи считалось преждевременным и практически неосуществимым по техническим причинам. Поэтому начиная с работы Кнудсена (1974), бурное развитие получил другой подход, аналогичный использованию лагранжевых переменных в гидродинамике (лагранжев подход), и существенно упрощающий исходную задачу. Он иснован на решении всего лишь пространственно одномерных уравнений непрерывности для ионов с учетом диффузии и полярного ветра в системе координат, дрейфующей вместе с плазмой вдоль траекторий конвекции. Следует отметить, что с помощью данного подхода впервые исследована роль магнитосферной конвекции в формировании пространственных структурных форм высокоширотной ионосферы. Вместе с тем, как показано в последующих разделах работы, ему присущи ограничения, связанные с рядом допущений, не позволяющие достичь высокой степени адекватности модели реальной среде.

ной нестанционарной модели высокоширотной и субавроральной ионосферы для интервала высот от 120 до 500 км с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов на основе обобщенной системы многомерных уравнений магнитной гидродинамики в переменных Эйлера и исследование на ней механизмов формирования основных крупномасштабных структурных образований рассматриваемой обла-

Целью данной работы является создание трехмер

сти ионосферы, что представляет собой решение крупной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Метод исследовали я основан на численном решении системы многомерных несталционарных уравнений модели с начальными и краевыми условиями с последующим сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.

Научная новизна данной работы заключается как в подходе к моделированию высокоширотной ионосферы, так и в полученных результатах:

1. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель высокоширотной и субавроралыюй ионосферы на основе обобщенной системы многомерных уравнений магнитной гидродинамики в переменных Эйлера, позволяющая описывать их крупномасштабные структуры при разных ге л и о -1 «о физических условиях и удовлетворяющая aie-. дующим основным требованиям:

а) включаются все основные крупномасштабные процессы, протекающие в ионосфере на этих широтах в интервале высот 120-500 км;

б) учитывается несовпадение географического и геомагнитного полюсов ;

в) учитывается взаимосвязь между высокоширотной, субаврораль-ной и среднеширотной областями ионосферы;

г) математическая сложность модели должна быть ограничена разумными пределами, с тем чтобы была возможной ее практическая реализация на доступных вычислительных средствах.

2. Разработал алгоритм численного интегрирования многомерных нестационарных моделирующих уравнений на основе метода суммарной аппроксимации в сочетании с методами прогонки.

3. На данной модели установлен ряд закономерностей и явлений,

♦ I I

• I

протекающих в ионосферной плазме, как, например,

а) каление "полной тени" в верхней атмосфере Земли,

б) эффект "отрыва" языка ионизации,

в) эффект асимметрии плазмопаузы в проявлении "дыр" в ионосфере,

г) круглосуточное проявление главного ионосферного провала в восточном полушария,

д) иТ- контроль крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроралыюй ионосферы.

4. По результатам численных экспериментов сформулированы механизмы формирования главного ионосферного и дневного провалов ионизации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается физически обоснованной постановкой задачи, правомерностью принятых допущений при разработке математической модели, оценками применимости используемых методов численного интегрирования системы уравнений модели и степени адекватности результатов численных экспериментов на основе сравнения с экспериментальными данными и с результатами, полученными другими авторами.

Научная и практическая значимость 'работы заключается прежде всего в том, что реализация эйлеров- подхода к моделированию высокоширотной ионосферы открывает новые возможности построения моделей с высокой степенью адекватности реальной среде, с помощью которых могут быть осуществлены более полные и глубокие исследования физико-химических процессов, протекающих в ионосферной плазме высоких широт. Разработанная модель используется для интерпретации результатов экспериментальных исследований, получаемых с помощью как наземных радиофизических методов, так и искуственных

спутников Земли. Разработанный алгоритм численного решения системы моделирующих уравнений может быть использован и используется для решения подобных многомерных задач в задачах ионосферного моделирования.

Настоящад модель можег быть использована также для целей оптимального планирования дорогостоящих экспериментальных исследований и для совершенствования прогноза состояния высокоширотной ионосферы.

На запд!ТУ выносятся:

1. Трехмерная нестационарная модель высокоширотной и субав-роральной ионосферы, позволяющая адекватно описывать крупномасштабную структуру моделируемой среды в интервале высот 120-500 км на основе уравнений магнитной гидродинамики в переменных Эйлера в спокойных условиях.

2. Алгоритм численного интегрирования системы многомерных уравнений в задачах математического моделирования ионосферных процессов, на основе экономичных методов - методов расщепления.

3. Результаты численных экспериментов на ЭВМ по исследованию закономерностей и явлений в ионосферной плазме, установленных впервые на данной модели, а именно:

а) эффекты несовпадения географического и геомагнитного полюсов,

б) явление "полной тени" в верхней атмосфере Земли и его следствия.

4. Результаты численных экспериментов на ЭВМ по исследованию механизмов формирования и эволюции основных крупномасштабных образований области Р высокоширотной и субавроральной ионосферы при различных гелио-геофизических условиях, установленных ранее

•агеримеНтально, а именно:

а) языка ионизации, аврорального и полярного Ликов, полярной погости;

б) Главного ионосферного я дневного провалов в широтном Ходе электронной концентрации.

Реализация результатов. Основные результаты исследований использованы при выполнении НЙР по Постановлениям ГКНТ прй СМ СССР, Госплана. СССР и АН СССР (И 430 от 26.11.76 г. и N475/251/131 от 12.12.80 г.), проводимых СФТЙ При "Томском госунй-верситете, и при выполнении хоздоговорных работ.

Отдельные результаты включены в спецкурсы по физике Ионосферы и в ряде монографий ведущих ученых.

вались и обсуждались на Всесоюзных семинарах по математическому моделированию ионосферы (Тбилиси, 1980; Томск, 1982; Ростов-на-Дону, 1986; Звенигород, 1988; Казань, 1990), на Всесоюзных совещаниях по моделированию полярной ионосферы (Мурманск, 1980; 1984), на Всесоюзных совещаниях По крупномасштабной структуре субааро-ральной ионосферы (Якутск, 1981) 15 по Исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли (Обнинск, 1985), на региональных научно-технических Конференциях "Ионосфера и распространен»!« радиоволн" и "ЭВМ и науки о Земле" (Новосибирск, 1985; 1988), совещании по неоднородностям ионосферы (Якутск, 1988), на XVI и XVII Всесоюзной конференциях по распространению радиоволн (Харьков, 1990: Ульяновск, 1993), на Международной школе по физике ионосферы (Сочи, 1990), на V Международном симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (г.Самарканд), на XX и XXI Международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Пиза, Италия, 1991; Бохум,

Основные результаты диссертаций доклады-

Германия, 1993), на республиканских научно-технических конфере-циях Якутск, а также на семинарах ряда научных учреждений стран;. (СФТЙ при ТГУ, СибИЗМИР, ИКФИА, КрГУ и др.).

Структура и объем работу. Работа состоит из введения, шести глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 230 страниц машинописного текста, рисунков - 65 страниц, список литературы включает 205 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель исследований. Отмечается новизна полученных результатов, их научная и практическая значимость и реализация. Сформулированы основные результаты и положения, которые выносятся на защиту.

Первая глава диссертации является обзорной. В ней излагается морфология высокоширотной и субавроральной ионосферы - сведения • о распределении электронов на высотах максимума области Р2, полученные различными экспериментальными методами. Рассмотрены основные структурные образования, такие, как авроральный и полярный пики, "язык" ионизации, полярная полость, главный ионосферный и дневной провалы ионизации и др. Отмечается, что характеристики этих образований зависят ОТ сезона мирового времени (иТ-контроль), магнитной ¥ солнечной активностей, а также от параметров межпланетного магчнтнаго цаля, (ММН).

Далее, рассмотрено современное состояние математического (численного) моделирования высокоширотной ионосферы, что предполагает решение системы трехмерных моделирующих уравнений. Отмечено, что применение формализма Дагранжа (Дагранжев подход), заключающегося р численном решении системы одномерных нестационарных

уравнений магнитной гидродинамики для ионосферной плазмы, заключенной в магнитную силовую трубку, которая движется вдоль траекторий конвекции, позволило получить ряд интересных результатов по исследованию крупномасштабной структуры высокоширотной ионосферы. Так, показана роль магии госфсрной конвекции к формировании "языка" ионизации, полярной полости. Также показана роль высыпаний энергичных частиц в образовании аврора-тыюго и полярного пиков. В рамках данного подходо предложен механизм формирования главного ионосферного провала, связанный с образованием точки застоя в вечернем секторе при взаимодействии противоположно направленных движений плазмы - конвекции и коротации. Исследована реакция структурных форы на изменение ММII (эффект Свальг&арда-Мансурова).

Тем не менее, несмотря :ы достигнутые успехи, к настоящему времени не существует модели ионосферы, адекватно описывающей все особенности проявления вышеперечисленных крупномасштабных структурных образований как высокоширотной, так и субавроральной ионосферы. Это связано, в первую очередь, с неизбежной произвольностью задания траекторий конвекции. Отмеченные результаты качественного характера получены в случае стационарности конвекции и когда географический и геомагнитный полюсы совмещены. В этом случае контуры траекторий конвекции замкнуты, вследствие чего быстро устанавливается периодическое решение. Учет несовпадения полюсов приводит к весьма сложным схемам конвекции, затрудняющих получить периодическое решение задачи. Положение должно усугубляться при рассмотрении возмущенных условий (нестационарный случай). Другая трудность связана с тем, что ниже примерно 200 км условие вмороженности магнитного шля нарушается - траектории движения

электронов и ионов расходятся. Электроны при этом будут двигаться по эквипотенциали, а ионы - поперек (иедерсеновский ток). В то же время при моделировании высокоширотной ионосферы решаются уравнения непрерывности для ионов вдоль эквипотенциален. Следовательно, результаты расчетов, полученные таким путем, будут заведомо ошибочными на высотах, где существенны столкновения ионов с нейтральными частицами.

В конце главы обосновывается необходимость реализации зйлеро-вого подхода для создания полной объемной модели высокоширотной и субавроральной ионосферы, удовлетворяющей требованиям науки и практики.

Вторая глава посвящена разработке трехмерной модели высокоширотной и субавроральной ионосферы. Сформулирована исходная система уравнений нестационарной трехмерной модели области ионосферы-в интервале высот 120-500 км с охватом широт выше 40°. Электронная концентрация при этом определяется в результате решения следующей системы уравнений:

— - Qa-lo- div{n„Vo)\

Ol

дпт _

~~ 1п *m>

V. ~ Fv{na,Te,Thnn,VnJ)\ пс = п0 + пт,

где па,пт,пе и пп - соответственно концентрации ионов атомного кислорода, эффективного молекулярного иона, электронов и нейтральных частиц; q0, qm и la, 1т - скорости локального образования и гибели соответственно ионов 0+ и эффективного молекулярного иона; Va, К -

скорости ионов 0+; и нейтральных частиц; Те и Т; - температуры электронов и ионов соответственно, Е - электрическое поле. Отметим, что из-за трехмерности уравнения непрерывности для ионов 0+ модель в целом является трехмерной, т.к. на высотах максимума области F данное уравнение становится определяющим вследствие равенства концентраций атомного кислорода и электронов. Температура ионов принята равной температуре нейтрального газа Т„, что вполне допустимо. А температура электронов в ночные часы равна 7} и Тп, а в дневные - в 2 раза выше, что соответствует экспериментальным данным. Скорость нейтрального ветра задана в виде аналитической аппроксимации общепринятой глобальной картины горизонтального распределения скорости циркуляции атмосферы на высотах F области ионосферы. Другие параметры нейтральной атмосферы заданы по модели MSIS. Крупномасштабное электрическое поле магнитосферного происхождения задано по модели Хеппнера.

Осуществлен учет несовпадения географического и геомагнитного полюсов. При этом система моделирующих уравнений решается в географической, а магнитосферная конвекция и зона высыпания аврораль-ных частиц - в геомагнитной системах координат. Компоненты скорости конвекции переводятся в географическую систему с помощью специальных матриц переведа. Для получения ориентированной к Солнцу картины конвекции геомагнитная долгота заменена на геомагнитное время.

Подробно обсуждены вопросы задания начальных и краевых условий. При задании краевых условий учтено то, что эффекты многомерности становятся пренебрижимо малыми на коширотах в = 35°. Это позволяет ограничить область исследования значением в = 40° , где используется решение уравнения непрерывности в одномерной поста-

новке, т.к. в средних широтах правомерно использование одномерной модели. На полюсе сделано усреднение но долготе на ближайшем к полюсу широтном круге. По долготе используется условие периодичности решения. На нижней границе краевые условия задаются на основе выполнения условия фотохимического равновесия, на верхней задается поток ионов 0 . Начальные условия заданы в приближении модели Чепмена.

Обсуждены и выбраны основные фотохимические процессы и внешние управляющие параметры модели, такие, как нейтральная атмосфера, крупномасштабное электрическое поле магнитосферной конвекции, волновая и корпускулярная ионизация.

В третьей главе представлены алгоритмы численного интегрирования многомерных уравнений модели. Они построены на основе методов расщепления. Для решения трехмерного нестационарного урав-' нения непрерывности использован метод суммарной аппроксимации. Алгоритм решения системы уравнений модели построен следующим образом. На первом этапе производится расщепление уравнений по физическим факторам на две системы уравнений, учитывающих фотохимические процессы в диффундирующей среде и перенос плазмы в результате действия электрических полей. На втором этапе производится расщепление этих уравнений по геометрическим факторам. В итоге получается система одномерных уравнений, обладающая суммарной аппроксимацией, которая решается методами, применяемыми в одномерных моделях.

Отметим, что разработанный алгоритм абсолютно устойчив и аппроксимирует исходное уравнение порядком 0(г + Лг3, Ав3, Д<р). Алгоритм реализован в виде ФОРТРАН-программы для ЭВМ типа ЕС. На основе численных экспериментов на ЭВМ проведена проверка алгорит-

ма, определены оптимальные значения пространственных и временных шагов интегрирования, обеспечивающих минимальные затраты машинного времени при исследовании крупномасштабной структуры высокоширотной и субаироральной ионосферы.

Здесь же приводятся результаты исследования реакции модели на изменение внешних параметров, таких, как крупномасштабное электрическое поле магнитосферной конвекции, авроральная ионизация и плазмосферный поток при средних гелио-географических условиях. Полученные результаты помимо выяснения роли отдельных внешних факторов в распределении заряженных частиц Подтвердили правильность разработанного алгоритма решения системы моделирующих уравнений, т.к. они находятся в согласии с современными представлениями о поведении крупномасштабной структуры высокоширотной и субавроральной ионосферы.

В четвертой главе показана адекватность построенной модели реальной среде пространственно-временной картине распределения электронной концентрации в Максимуме области F2 высокоширотной И субавроральной ионосферы. Проведено сопоставление результатов расчетов с модельными расчетами других авторов, получившими широкое признание, а также с экспериментальными данными, опубликованными ранее. При этом в сВязя с что известные рассчитанные распределения электронной Концентраций На основе формализма Лагранжа были получены при совпадений географического и геомагнитного полюсов, для сравнения с ними взяты результаты модельных расчетов, полученные также при допущении совпадения полюсов для средних гелио-геомагнитных условий. А с экспериментальными данными - при учете несовпадения полюсов. Вначале рассмотрены результаты, полученные без учета аврорального источника ионизации. Сопоставление

с результатами расчетов Кнудсена показало хорошее качественное их согласие. В обоих случаях в зоне конвекции, направленной от Солнца, наблюдается повышение электронной концентрации - "язык" ионизация, что связано с перекачкой дневной ионизации на ночную сторону. А в зоне конвекции, направленной к Солнцу, формируется область пониженной электронной концентрации - провал ионизации. При учете корпускулярной ионизации » отличие от предыдущего случая в зоне дополнительных источников в дневное и ночное время наблюдаются области повышенной концентрации, что также хорошо согласуется с другими модельными расчетами.

Далее показана важность учета несовпадения географического и геомагнитного полюсов для повышения адекватности модели. Учет данного факта, как показали исследования, существенно приближает результаты расчетов к экспериментальным данным. Так, например, область минимума ионизации в субавроральных широтах при совпадении полюсов расположена на географических широтах около 60" , а при несовпадении - а районе широт 65 - 70° , что более соответствует экспериментальным данным. Отметим что, в качестве экспериментальных данных использованы данные измерений, полученные на Якутской и Американской меридиональных цепочках станций вертикального зондирования. Показано хорошее согласие результатов расчета с экспериментом для разных моментов мирового времени (£/Г-контроль). ДОл-готмый эффект в проявлении структурных образований также четко прослеживается как по модельным расчетам, так и по экспериментальным данным.

I Таким образом, качественное совладение результатов расчетов и экспериментальных данных достаточно хорошее. В количественном отношении расхождение в основном не превосходит 30-50% , что свл

детельствует об адехватвосг» модели к реальной среде в усредненных условиях. Здесь же рассмотрено^ явление "пол>юй тени", которое обнаружено на данной- модели при исследовании эффектов несовпадения географического и геомагнитного полюсов. Суть явления заключается в следующем.

В зимний период при суточном вращении Земли в результате несовпадения географического и геомагнитною полюсов возникает явление "полной тени" е образованием серпообразной области, в которую попадает ни прямое солнечное излучение, ни авроральнаа ионизация с конвекцией в течение всей полярной ночи. Эта область заключена между плазмоиаузой и частью окружности с центром а географическом полюсе и радиусом» равным расстоянию от полюса до терминатора. Основные характеристики области полной тени следующие. Во-первых, эта область существует только в интервале от 0 до 200" восточной долготы в северном полушарии и от от 0 до 200° западной долготы в южном полушарии с шириной от 0 до 10° . В зависимости от состояния магнитосферы ширина области и ее протяженность могут изменяться. Во-вторых, область полной тени охватывает максимальную площадь в период зимнего солнцестояния в северном полушарии и летнего соли- ' цестояния в южном полушарии. С приближением к равноденственным периодам область полной тени исчезает. В-третьих, в разрешенных долготном секторе и интервале времени года область полной тени существует в течение всех суток.

Из существования области полной тени вытекают некоторые важные в географическом аспекте следствия. Здесь рассмотрено одно из них - формирование "дыры" в области F ионосферы. Модельные расчеты дают глубокий провал, днище которого совпадает с областью полной тени. Значение концентрации в области "дыры" полностью кон-

третируется величиной плазмосфериого потока. Отметим, что с уменьшением плазмосферного потока до нуля, модельные расчеты дают в области тени практически нулевые значения концентрации электронов.

Пятая глава содержит результаты по исследовании механизмов формирования крупномасштабных образований высокоширотной ионосферы. Для этого проведено сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными для разных сезонов. При этом зона высыпания авроральных электронов взята в виде кольца 15° < вш < 20° , граница диффузных вторжений задана по модели Гуссенховена (1985). В зоне дневного каспа задается поток электронов /0 = 5-Ю8 см-гсек-1 с энергией Е0 = 150 эВ, а в авроральной зоне - 10 — 2.5-207 см~2сек-1 с Е0 =1кэВ. Крупномасштабное электрическое поле магнитосферного происхождения задается по модели Хеппнера при Кр = 3. Сопоставление результатов расчетов и эксперимента показало достаточно хорошее качественное и определенное количественное их согласие для всех сезонов, что дает основание говорит о механизмах формирования основных крупномасштабных образований высокоширотной ионосферы.

Язык ионизации. Его формирование связано с конвективным потоком плазмы с дневной стороны на ночную. При этом на неосвещенную сторону заносится одновременно дневная плазма, образованная в результате ионизации УФИ Солнца, и плазма, созданная в области дневного каспа. Этот поток плазмы формирует в области полярной шапки зону повышенной ионизации. Форма языка ионизации зависит от мирового времени. Это обусловлено изменением местоположения области конвекции относительно терминатора в ходе суточного вращения Земли вследствие несовпадения географического и геомагнитного полюсов.

Так, вынос дневной ионизации на ночную сторону будет максималь-

ным в 18 иТ, т.к. область конвекции занимает в этот момент наибольшую площадь на освещенной стороне, в этот момент уровень ионизации в полярной шапке будет наибольшим за счет перекачки высокой полуденной ионизации с более низких широт, чем в другие моменты и Т. В Об IIТ язык ионизации исчезает, т.к. область конвекции и ав-роральный овал в этот момент полностью оказываются на затененной стороне и выкос плазмы с дневкой стороны на ночную прекращается. А в 12 иТ область конвекции заходит на освещенную сторону и возобновляется конвективный вынос плазмы на ночную сторону, формирующий язык ионизации в полярной шапке. Авроральный и полярный пики. Авроральный пик формируется на неосвещенной стороне аморального овала в результате корпускулярной ионизации (электронами с энергией 1 кэВ), а полярный пик - в области дневного каспа в результате ионизации с электронами 150 эВ. Максимальную площадь в виде кольца они занимают в 06 ОТ в условиях отсутствия волновой ионизации, а минимальную - в 18 иТ, когда почти половина овала оказывается на освещенной стороне. Там влияние волновой ионизации выше, чем корпускулярная, поэтому полярный и авроральный пики как бы "забиваются" дневной ионизацией. Полярный пик должен наиболее четко проявляться в условиях затененности в 06 ИТ, когда отсутствует конвективный вынос плазмы с дневной стороны на ночную.

Полярная полость. Исследования показали, что причина формирования полярной полости заключается в следующем. Концентрация заряженных частиц, занесенных на ночную сторону с дневной стороны антисолнечной конвекцией, быстро уменьшается в результате реком-бинационных процессов и может упасть до порядка велиичны и более по достижения высокоширотной границы аврорального овала, формируя нытянутый вдоль этой границы провал ионизации 2 полярную но-

лость. Наиболее низкие значения концентрации ионов (электроно.1 дайной области могут наблюдаться в случае, когда происходит умен: шение скорости конвективного потока плазмы до нулевых значений в условиях отсутствия источников ионизации. Формирование и локализация полярной полости зависит от мирового времени. Так, наибольшую площадь она зависит в 06 1/Т, когда практически прекращается конвективный вынос дневной ионизации на ночную сторону. I) это время область конвекции расположена полностью на ночной стороне и осуществляется лишь вынос плазмы из области дневного каспа. В 18 1)Т полярная полость не обнаруживается, т.к. в это время язык ионизации простирается до аврорального пика. В 12 ЦТ полярная полость вятя-нута через всю неосвещенную полярную шайку вдоль высокоширотной границы аврорального овала. А в 00 £/Т она формируется только в утреннем секторе.

Формирование крупномасштабных высокоширотных образований зависит также от сезона. Они все наиболее отчетливо проявляются в зимний период, тогда как в летнее время из-за освещенности высокоширотной ионосферы они практически отсутствуют.

Шестая глава посвящена исследованию механизмов формирования основных крупномасштабных особенностей субавроральной ионосферы - главного и дневного провалов ионизации. В начале проведено исследование роли явления полной тени в формировании провала ионизации в восточном полушарии. Модельные расчеты показали, что, действительно, в области полной тени образуется глубокий провал ионизации. Причем совпадение численных расчетов на модели с качественной кар тиной провала подтверждается как долготным расположением, серпообразной зоной, так и контролем мировым временем. Уровень ионизации в области провала полностью контролируется величиной нисхо-

дяшего плаэмосферного потока. С уменьшением цлазмосферного потог ка до нуля, метельные расчеты дают в области провала практически нулевые значения концентраций с очень крутыми экваториальной и полярной стенками.

Согласно изложенному механизму провал ионизации характеризуется следующими особенностями. Во-первых, глубокий провал может наблюдаться только в восточном полушарии. Во-вторых, провал в данном полушарии должен наблюдаться круглосуточно. Конфигурация области провала зависит от положения плазмопаузы. В-третьих, провал должен охватывать наибольшую площадь в период зимнего солнцестояния, с приближением к равноденственным периодам должен исчезать.

С целью проверки этих предполагаемых особенностей проведено сравнение результатов модельных расчетов с экспериментальными данными.

Для проведения сравнительного анализа взяты две цепочки станций ВЗ - Американская и Якутская, расположенных в западном и восточном полушариях соответственно. По данным станций Якутской цепочки область наиболее низких значений электронной концентрации действительно наблюдается круглосуточно, тогда как на западных долготах узкая область пониженных значений электронной концентрации формируется лишь в послеполуночные часы.

Учет асимметрии плазмопаузы относительно геомагнитного полюса приводит к сужению области ГИП в полуночные часы, что как бы делит днище ГИП на вечернюю и утреннюю части, формируя в эти часы наблюдаемые экспериментально "дыры" в ионосфере. А й дневные часы наблюдается, наоборот, расширение области ГИП, что связано с ухо.чом на более высокие широты (до ~ 75 - 80"/^) границы плазмо-

Паузы вследствие ее ах:имметряи относительно геомагнитного полюса. Таким образом, конфигурация и положение ГИП испытывают регулярны« изменения в течение сутки. По данным Якутской цепочки станций 83 сезонные особенности в проявлении ГИП также хорошо согласуются <с модальными представлениями.

С Целью исследования формирования ГИП в глобальном масштабе проведен численный эксперимент на разработанной модели для разных сезонов с учетом новых данных с действующих на этих широтах факторов таких, как незалолненность субавроральных силовых трубок, ДйффузНьге Вторжения энергичных частиц и др. На основе сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными на мировой сети станций ВЗ и с помощью спутников, сделаны следующие ьыводы:

1. Главный ионосферный провал формируется в субавроральной зоне, Где происходит, с одной стороны, ослабление действия факторов, определяющих режим среднепшротной ионосферы, а с другой - усиление влияния магнитосферных процессов, определяющих морфологию высокоширотной ионосферы. При этом причины образования ГИН в зимний период и в остальные сезоны отличаются. Так, в зимнее время экваториальная стенка провала формируется в результате

а) сохранения остаточной-дневной ионизации (вечерний сектор),

б) убывания нисходящего потока холодной плазмы из силовых трубок с ростом широты (ночной сектор),

в) резкого спада дневной ионизации при х > 90° (дневной сектор), тогда как в равноденствие и летний период она образуется, в основном, за счет сохранения остаточной дневной ионизации. Полярная стенка создается при совместном действии магнитосферной конвекции и высыпающихся мягких авроральных частиц.

2. Несовпадение географического и геомагнитного полюсов обуславливает долготную, суточную и сезонные особенности в проявлении ГИП, а вращение геомагнитного полюса вокруг географического - кон-1 роль мировым временем (¡7Т- контроль). При этом глубина и форма провала зависят от взаимного расположения терминатора и авро-рального овала. Так, глубокие провалы ("дыры") возникают в зимний период в области полной тени вследствие отсутствия прямых источников ионизации. По этой же причине в зимний период на восточных долготах северного и на западных долготах южного полушарий провал ионизации в субавроральной ионосфере наблюдается круглосуточно, тогда как на противоположных долготах - только ночью. В летнее время ГИП может формироваться только на западных долготах южного полушарий, поскольку в это время субавролральиая ионосфера на противоположных долготах освещена постоянно в течение всех суток.

I). Основной причиной формирования зимних дневных субаврораль-ных проводов как в смеверном, так и в южном полушариях может быть явление "полной тени", приводящее к резкому падению суммарной скорости ионообразования волновым и корпускулярным источниками ионизации в промежуточной зоне между терминатором и авроральным овалом в интервале 14-18 С/Т, где в результате диссоциативной рекомбинации происходит уменьшение электронной концентрации.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе:

1. Создана трехмерная нестационарная модель высокоширотной и субавроральной ионосферы на основе системы многомерных уравнений магнитной гидродинамики в переменных Эйлера в интервале высот 120 - 500 км, адекватно описывающая крупномасштабную структуру моделируемой среды для разных гели о - геофизических условий.

2. Разработан алгоритм численного интегрирования системы гомерных уравнений модели на основе методов расщепления по фи ческим и геометрическим факторам, обладающих суммарной аппр симацией.

3. На разработанной модели впервые установлено явление "полис тени" в верхней атмосфере Земли, возникающее в зимний период в ре зультате несовпадения географического и геомагнитного полюсов. Оно характеризуется образованием серпообразной зоны, в которую не попадает ни прямое солнечное излучение, ни авроральная ионизация с конвекцией плазмы в течение всей полярной ночи. Прямыми следствиями данного явления являются формирование "дыр" и возникновение долготных особенностей в распределении электронной концентрации в ионосфере.

4. Результаты численных экспериментов подтвердили ранее предложенные механизмы формирования основных крупномасштабных образований высокоширотной ионосферы - "языка" ионизации, авро-рального и полярного пиков, полярной полости. На модели впервые показаны особенности их образования и развития в зависимости от мирового времени (í/Г-контроль): вынос дневной ионизации на ночную сторону, где формируется "язык" ионизации, из разных временных секторов с разным уровнем ионизации при суточном вращении Земли вокруг своей оси, "отрыв" языка ионизации, эволюция полярной полости и др.

5. Сформулированы механизмы формирования экваториальной и полярной стенок главного ионосферного провала в зависимости от времени суток и сезона. Так, в зимнее время экваториальная стенка ГИП формируется в результате сохранения дневной ионизации (вечерний сектор), убывания нисходящего плазмосферного потока, плазмы с ро-

стом широты вследствие недозаполненности силовых Трубок плазмой (ночной сектор), резкого спада дневной ионизации при зенитных углах Солнца % > 90° (дневной сектор). Полярная стенка в ночные часы создается при совместном действии конвекции и высыпающихся энергичных частиц с Е ~ 1 кэВ, а в дневные - частицами с Е ~ 100-150 эВ, высыпающихся в каспе.

6. Установлен механизм формирования дневного провала. Так в дневные часы в условиях, когда область авроральной ионизации полностью оказывается на затененной стороне, в интервале субаврораль-ных широт между границами волновой и корпускулярной ионизации к области "полной тени" в результате рекомбинационных процессов формируется провал в электронном содержании. В этот момент провал ионизации окружает авроральный овал - сливаются дневной провал и ГИН-.

Основные результаты диссертации опубликованы в работал:

1. Голиков И.А. Моделирование ионосферы высоких широт // Маг-нитосферная суббуря и геофизические явления. - Якутск: ЯФ СО АН СССР. -1980:- С. 107-111.

2. Колесник А\Г., Голиков И.А. Трехмерная модель высокоширотной ионосферы //5-й Всесоюзный семинар по моделированию Ионосферы.- Тбилиси: АНТ ГССР. - 1980. - С. 34-35.

3. Колесник А-.Г., Голиков И.А. Двухмерная нестационарная модель области F ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 1981. - Т.21, N 1,-С. 64-70'.

4*. Голиков И.А., Колесник А.Г. Исследование механизмов формирования крупномасштабных структур высокоширотной ионосферы на основе математического моделирования // Крупномасштабная струк-1 \ ра субавроральной ионосферы.- Якутск: ЯФ СО'АН: СССР. - 1981,-

С.19.

5. Голиков И.А., Зикрач Э.К., Мамруков А.П. Долготный эффект в локализации главного ионосферного провала // Проблемы космофизи-ки и аэрономии: Бюллетень НТИ. - Якутск: ЯФ СО АН СССР. - 1981. С. 15-18.

6. Колесник А.Г., Голиков И.А. Исследование роли различных механизмов в формировании области F2 ионосферы на двумерной модели // Геомагнетизм и аэрономия. - 1981. - Т.21, N4. - С. 612-616.

7. Колесник А.Г., Голиков И.А. Моделирование высокоширотной ионосферы на основе уравнений магнитной гидродинамики в одно- и двумерном приближении // Распределение электронов и физические процессы в полярной ионосфере. - Апатиты: КФ АН СССР. - 1981.- С. 21-27.

8. Голиков И.А. Численное решение квазитрехмерного уравнения непрерывности для ионов 0 // Физика полярной ионосферы, - Л.: Наука.

- 1982. - С. 102-109.

9. Голиков H.A. Исследования схем расщепления у равнения непрерывности для ионов 0 // Электродинамика и распространение волн. -Томск: ТГУ. - 1982. - С. 40-44.

10. Колесник А.Г., Голиков И.А. Трехмерная модель высокоширотной области F с учетом несовпадения географических и геомагнитных координат // Геомагнетизи и аэрономия. - 1982. - Т.22, N 5,- С. 725-731.

11. Колесник А.Г., Голиков И.А. Механизм формирования главного ионосферного провала области F // Геомагнетизм и аэрономия. - 1983.

- Т. 23, N 6. - С. 909-914.

12. Колесник А.Г., Голиков И.А. Явление полной тени и механизм формирования главного ионосферного провала // Всесоюзное совещание по исследованию полярной ионосферы. - Мурманск: КФ АН СССР.

1984. - С. 59-60.

13. Колесник А.Г., Голиков И.А. Явление "полной тени" в верхней ,; мосфере Земли // Доклады АН СССР,- 19S4.-T.279, N 4. - С.632-83-1.

L4. Колесник А.Г., Голиков И.А. Эффект асимметрии плазмопау-.ы в локализации главного ионосферного провала / / Геомагнетизм, к .«рономия. - 1985. - Т,25, N 2,- С. 320-322.

15. Голиков И.А., Чернышев В.И., Платонов В.Н. Суточные вариации параметров главного ионосферного провала // Региональная научно- техническая конференция. Секция "Ионосфера и распространение радиоволн". - Новосибирск: СО АН СССР. - 1985. - С. 18.

16. Голиков И.А., Захарова М.Д., Скрябина A.C. Исследование особенностей главного ионосферного провала // Физические процессы в полярной ионосфере. - Якутск: ЯГУ. - 1985. - С.62-66.

17. Голиков И.А., Мамруков Л .Д., Филиппов Л.Д. Проявление главного ионосферного провала в дневное время [/ Физические процессы в субавроральнойг ионосфере. - Якутск: ЯГУ. - 1985. - С. 54-57.

18. Колесник А.Г., Голиков И.А. Исследование сезонных особенностей главйого ионосферного провала // Геомагнетизм и аэрономия. -1985. - Т.25, N 6,- С. 1012-1013.

19. Голиков Й.А., Чернышев В.М., Заболоцкий М.С. Влияние меридиональной составляющей нейтрального ветра на макроструктуру высокоширотной исшосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 1987,- Т.27, N 2. - С.318-319.

20. Голиков Й.А., Колесник А.Г. Формирование главного ионосферного провала в разные сезойы // Препринт. - Якутск: ЯГУ. - 1989. - 24 'с.

21. ГолйкоЬ Й.А., Мамруков А.П., Филиппов Л.Д., Шестакова Л.В., ПавловаЛ.Й. Исследование Главного ионосферного провала в дневное

время // Проявления суббурь в геофизических явлениях. - Якутск: ЯФ СО АН СССР. - 1989. - С. 113-116.

22. Голиков И.А., Колесник А.Г. Механизмы формирования главного ионосферного провала в разные сезоны ,// 10-й семинар по моделированию ионосферы. - Москва: АН СССР. -1990. - С.61.

23. Голиков 3Ï.A., Зикрач Э.К., Шестакова JI.B. Суточные изменения профилей электронной концентрации в субавроральной иолносфере // Геомагнетизм и аэрономия. - 1990 .- Т. 30, N 4. - С.678-679.

24. Голиков И. А., Зикрач Э.К., Шестакова Л .В., Павлова Л.И. О механизме образования дневного провала зимой в южном полушарии // Геомагнетизм и аэрономия. - 1990. Т.30, N 6. - С. 958-959.

25. Голиков И.А. Механизм формирования главного ионосферного провала в дневном секторе // XVI Всесоюзная конференция по распространению ¡радиоволн. - Харьков: АН СССР. -1990. - С. 46.

26. Golikov I.A., Solovjev T.N. A calculation of the atomic oxygen ■ion density disbributions in the highlatitude ionospheric plasma // XX-th ICPIG. - 1991. - Pisa, Italy. -Vol. 1. - P. 25-26.

27. Golikov I.A., Solovjev T.N. On the formation high - latitude F-region ionisation trough during winter period // XXI-th ICPIG. - 1993. -Bochum, Germany. - Vol.3. - P. 1011-1012.

28. Колесник А.Г., Голиков И.А., Чернышев В.И. Математические модели ионосферы. - Томск: Раско,- 1993. - 240 с.