Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование теплового режима термосферы Земли

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование теплового режима термосферы Земли"

РОССИЙСКАЯ ЛКЛД1Л1ИЯ ИЛУК ИНСТИТУТ ЗКМНОГО M Vi lli-.П1 »МЛ, НОНОСФКРЫ

РГ5 ОД нрлспросгрлпкпиярлдиополн

г 7. RII3 W

На правах рукописи удк 550.51.jj5

БЕССЛРЛЬ Фе í-i'i Ссмспшшч

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ТEPiMО СФ Е Р Ы ЗЕМЛИ

(04.00.23 - фишка атмосферы п гидросферы)

Автореферат диссертации на соиек.ашс ученой степени . кандидата фтико-математ.! веских наук

Москва 19%

Работа выполнена в Западном Отделении ИЗМИРАН

I (аучные руководители: ,> эктор физико-математических иаук

профессор Л.Л. Намгаладте кандидат физико-математических наук Ю.Н. Кореньков

Официальные оппоненты: доктор фнчико-матсматнчсских наук

профессор М.Г. Деминой' кандидатфизико-математических паук 13.А. Власкон

Ведущая оргаитацнн: Санкг-Поербургскнй Государственный Унинеретет а

Защита cocí онтен i&ffcMu^ 1997 г.

в |,;'с на заседании днссермцноншко совета Д.002.83.01

и ИЗ.МШ'АИ - 142092, г.Троицк, Москонскон ооласш (проезд аииюусом 531 or ciaiimni метро "Теплым cían'' до остановки "ИЗМИРЛИ").

('днсссркщнсй можно ошакомнп.сн к бжЪмннеке 1ПМ1IPAI I

Аторефера. разослан 2 /oyí-I9<J¡Í г.

о ^

Ученый сскрс1арь диссеришионною' совета Д 002.83.01 в IHMIiPAII. доктор физико-матемашческнх наук

О.II. Коломийиев

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование структуры верхней атмосферы в обласш высот от 80 км до 400-Ш) км является важной задаче;! фи шки околоземной плазмы, как с ¡очки фения практического применения, например, с целыо повышения падеж!:ос1 и пол< чш космических аппаратов п устойчивости чоноеферион радиосвязи, так н и научных исследованиях v для решения проблем со.шечноземных связей, антропогенного воздействия па а!Мосферу и г.д. Особый интерес данная высотам область нейтральной uimoc'.': si представляет для фишки ионосферы. Именно здесь, на [ермосферны.х высотах, формируются П, F1 и F:2 слои ионосферы, причем заряженные часгниы :ыляюi см малой добавкой к пеГиралыюму ст ану. Нейтральная атмосфера является источником заряженных ¡;щ и регулятором процесса рекомбинации: нейтральные негры ниже 150 км, увлекая «аряженные частицы, генерируют электрическое динамо поле, которое вызывает электрические токи, на нептра'н.пом газе происходит охлаждение электронного п ионного газов, '¡акпм образом, сосюяппе кр.мосферы в значительно!! степени сказывается па поведении заряженных частиц. В спою очередь, распределение центральной температуры, особенно выше 200 км, решающим образом влияет па коппен 'рлцни молекулярных компонент н скорости тсрмосферпы.ч ветров п, следовательно, во MHOi ом определяет состояние термосферы.

Прямые ракетные измерения, а также интерпретация данных о торможении спутников позволили определить характер высотной зависимости температуры. Позднее, исследования верхней атмосферы с по.\ )щыо установок некогерентного рассеяния, а также прямые спутниковые измерения способствовали изучению ее временных п пространственных варпаиин. Систематизация экспериментальных данных ведется путем построения эмпирически : моделей, которые достигли в настоящее время приемлемой точпоел> i; описании фоновых состояний термосферы. В то же время неизбежные при обработке дашп :х простр.ч 1Ствснмыс и временим0 осреднении "смазывают" сложную картину энергетических связей н üL-рхией атмосфере. Особенно актуальной эта проблем.) становится при изучении тер.-осфсрных возмущении различной пр -роды.

Все это стимулиг вало развитие, теоретических методой нляедо» вания термосфсры, прогресс которых в значительно!! crsnes::i СМ'ЛН с

рачшпнсм методой »тематического моделирования. Er ion ионный пун» повышения чоччост чеоретческих моделей, a, следовательно, н исследовании проводимых с их помощью, сосюпг » уменмлепим числа нерасч1 пых входных параметров - но гак пачываемый самосогласованный пчдход. 'П. .. самосогласованными термоеферными моделями принят иачывап. ie, i» которых совмесчно iiiiíciрнрукчеи уравнения динамики, [силового баланса и нерачрынноан для кои-ненграций основных компонентнейтральною cocuma.

Данный принцип. проводимый посдедовакмьпо к пчучешно не io.ii.ko фоновых. но и воiMvmeiiHi.iv состояний к'рмосферы ipeoyei со мании единой модели околочемпой среды, коюрая бы совместно описывала (срмосфсрныс н ионосферные процессы, а 1акже мек-ip ■чеекпе поля мапнпосфсрною и динамо происхождения. В чпачн-rejiMioi! cieiieiin hoi подход удалось реалнloiiau, нрн соианпн Глобальной Самосогласованной Модели Гермосферы-1кпюсфсрм-1 Ipoio-носферы (ГСМ 11111), p,i .¡'.löoiainum и Калининградской Обсерначо-piiii 1HM11PA1Í под руконодсп»>м профессора 11амгала;ие A.A.

Цель данной (¡aúon.i можно определи;, с юдмощим обраюм:

1. Сочдап. чрехмерную ма1сматческу,ч) модель leii.iouoro баланса термосферы и ппюгрпровап. ее и ГСМ ТИП.

2. Пронести исследования динамических процессов, влияющих на icpMH'iecKiiH режим пейфлльпоп атмосферы, котрые были бы пе-вочможпо пли ча:рудпи1елыю пронес i и другими (беч нсподьчовання еамоео|-ласонаннон модели) способами.

Ilavuuni luiitiiiiia данной рабоп.1 «аключаоси как в последова-ic.iMioM нрнмененни самоан ласованпот подхода к псслсдоиаппм чеплового баланса ;срмосферы, uik и в под\чсппых pcn.ibiaiax. Модель leiuioiioro баланса была апробирована вначале на прости модели гермосфсры. a tai ем на самоан ласонанной модели oko.ioícmiioü с|1сды. С' помощью численпых женернметон на ГСМ Ulli и пх последующего ана.нпа впервые -были проведены количественные пс-слечовапня динамических процессом: раб мы сжатя/расшпренпя, конве.чцпп, "нжкого" н фрикционного (джоулеаа) нагрева и н.\ ошосн-тслыюй роли в формировании чепловой структуры чермосфсры и пе-вочмушепных гёома! ил Ш1.1х условиях. Самосогласованные расчеп.1 но моделнронанню суббурн на ГСМ ТИП -ношолилн выявим. новые осо-

С нностп » развитии термического возмущения » высокоширотной термоефере.

1С защите представляю кн:

1. 1 лобальиая трехмерная модель теплового баланса 'ермосферы, которая включает основные физические процессы, ответственные '.¡а формирование термического режима.

2. Эффект генерации ..олусучочиых полисных движении и (и 1ЛС1 юи термоефере и выводы об пч вочдепствие на состояние тер.мосферы.

3. Результаты количественного аналича скоростей пагрева/охлаж-дения нейтрального гача динамическими .гоцесеами и выводы об и\ воздействии на термический режим тсрмосферы. Исследования пыпол-нены ирн помощи специального паке а дши ноешчеекпх программ.

4. Результаты исследования роли электрического ноли и скорости нейтрального гача в формировании I,; .чтранствешь д структур;.! источника фрпкцпонпот (джоулева) п:.грева.

5. Результаты исследования эволюции теплового возмущения в полярной термосфере во время суббурн.

II. ОПЮР СОСТОЯНИЯ ПРОЬЛКМЫ

Теоретические исследования тепловою режима термосферы можно условно рачделнть па два взаимосвязанных п дополняющих друг друга иапраплепия:

1) качественная и количественная оценка энергетических процессов, протекающих и термосфере, включая нахождение их аналитического предстаплеппя в виде функции источника/стока тепла:

2) вывод моделыЧлх уравнении, исследование методов их решения, создание теоретических моделей.

Теоретические .модели, основанные на решении нелинейных уравнении гидродинамики, уступая эмпирическим г» оперативности, позволяют воспроизвести не только фоновые вариации нейтральных параметров, но и атмосферные вочмущения различной прпчоды. Другим их достоинством является способность давать к. мплексную информацию о распределении параметров нейтральной атмосферы. Особенно важно то, что теоретические модели позволяют прояснять физику явленгш, протекающих в термосфере.

Однако в полной мере перечисленными свойствами обладают лишь трехмерные модели атмосферы, которые описывают поведение тем-

пера туры, динамик» и состава нейтрального rata с учетом их взаимодействия

Co);uuiiie i:ncnx моделей являеюя сложной задачей, решение кото-рои гребус. мо только соомютствуюшего развития методой численного интегрировании, по и физических иредааиленин о процессах, протекающих в верхней атмосфере. Существующие проблемы удалось преодолей, только и моделях [1-4] п их последующих модификациях, которые можно оiiiccim к трехмерным самосогласованным моделям тормосфори. Дальнейшее развшне но направление юоремшеских исследовании получило в термосферно-ноносферпых моделях [5,6], а •кием и в [7,Х|, коюрые описываю! процессы в верхней а!мосфере в рамках единой модели юрмосферы, ионосферы и ьюкц.лческого поля. При ном наиболее полно самосогласованный подход реализован в ГСМ ТИП [S|. IVty.ibian.i численных жеперимептов па ной модели при спокойных и возмущенных геомагшппых условиях приводя ich в третьей главе днсссрмшип.

Диализ источников и сюков юпла составляй др\юе направление теоретических исследовании термическою режима. Многолетие исследования иошолплп определим, основные процессы, о1ве1С1веипые за поауплеиие зпергнн в термос(|еру. получим, их аналшнчеекпе предектлеппя. Выполнены 1акжс количествеппые оценки пространственных и временных вариаций солнечного шнрева, джоулевои диссипации, инфракрасного охлаждения и ряда других процессов.

В то же время, исследования динамических процессов (рабомя сжатия/расширения, конвекции), oMieicMieiiin.ix ia перераспределение юпла в верхнем ашосферо не проводились. Не ясным оставалось и количественное соомюшепнс ноздепемшя вермжальпых и юриюн-тальиых движений iieiiipa.Ti.noro газа на юрмнчеекпй режим термосферы.

Основной вклад в тепловой баланс имсокошпромюн юрмосферы вносит фрикционным (джоулев) нагрев. Значнюльиое число paooi посвящено исследованию интегральных харак ерислик ною процесса: полного шерговыделеппя, шергемшеского поюка; и не касакнся ш-учепия структуры самого источника. Bmccic с icm ыкне исследовании представляются необходимыми, поскольку при моделировании теплового режима термосферы важно ¡паи. пространственное распределение источника'нагрева пе только на высомгх 1£- обласш, где нахо-

днтси максимум эперговыделения, по п выше - па высотах Я2- области.

Ш. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура п оГи.см работы. Днесер га:::'п состоит из введения, грех глав и заключения. В пен содержи гея 122 страницы текста, 34 страницы с иллюстрациями и 2 страницы с таблицами. Список литера¡уры насчитывает 136 наименовании.

Во введении сф рмулпрованы оспою I.. - цели работы, их актуальность, новизна и практическая ценное¡. полученных репдьтатои. В краткой форме изложены содержание п :сновныс результаты диссертации.

В первой главе - обзорного харя:: > а, рассмотрены как экспериментальные, так и теоретические асп^'. - нсследо;:: шп 1ермнческого режима термосферы.

Вюрая глава посвящена псс.л; ;аипям »-уточных и сезонных вариации нейтральной темпера;. !-:'• которые проводились на трехмерной самосогласованной модели тсрмосферы.

Модель сое гонг из: блока расчета газового состава, блока расчета скорое ген нейтрального ветра и блока теплового баланса.

На первом этапе создания модели для целей лучшего понимания процессов именно термосферного происхождения, а также для офа-богкп методов численно!.) решения, было сделано основное упрощающее предположение:

- географический п геомагнитный полюса совпадаю т, а ионосфера на процессы в нейтральной атмосфере ле влияет.

Так как модель ра ;раб- ¡"-алась для исследования крупномасштабных процессов, то дополи; :е.ч,но предполаппось, что:

- выполняется приближение к;. . ;пст:1; - ::и (гидростатики);

- и гортонтадыю.м направлении п;--.: • -лчн днффузнн, вязкости н теплопровод!юсгн молено г; .-небречь.

В основе модели лежит стдема трех.ме '..лх уравнений гидродинамики, записанная в сферической географ.' .ской системе координат и описывающая поведение нейтрал' лого газа л области высот от 80 до 520 кч (у2.1). Здесь ;к<: выппс; »г расчетные формулы для коэффициентов вязкости, молекулярной н турбулентной диффузии, теплопроводности. Представлены м,> тематические выражения, оппсыпапипие

tiiiciiiniic источники п сгоки тепла, учитываемые п модели: нагрев солнечным понтирующим ( К < 1025 Л ) и диссоциирующим (1150 Л< X <1750 Á) излучением, охлаждение инфракрасным излучением воз-бужденньо. молекул NO (5.3 мкм). СОз (15 мкм) и атомарного кислорода (63 мкм). В ¡наделе 2.1.4 приведены граничные условия, используемые в модели:

- на нижней' границе средпемассопая скорость полагалась рапной нулю, а значения температуры п концентраций газов задавались постоянными i) соответствиями сданными наблюдений и эмпирических моделей;

- на верхней границе предполагалось, что вертикальные фадиеиты проекций вектора среднемировой скорости равны нулю; выполня-loi./i условия икнсрмичностн для температуры п диффузионного равновесия для состава.

Меюды численного нтегрировапня, применяемые для решения ко-нечио-раIUOCIHI.IX аналогов уравнении модели, организации численного алгоритма описаны в ¿ 2.2. Вычисления выполнялись в сферической географической системе координат с икиами 1Я rio широте, 36° но долготе. Неравномерная в радиальном направлении сетка содержала 3Ü узлов. Ошимальныи шаг по времени составлял 20 минут. Численное интегрирование уравнений модели велось методом установления до получения квашетакионарного решения.

Ретулыаты модельных расчетов, выполненных дли условий низкой солнечноíi активности в периоды равподспспшя и лешего солнцестояния, приведет,! в ,ss 2.J п покатали следующее. В верхней термосфере значения Т„ в дневные часы хорошо согласуются с данными эмпирической модели MSIS-N6 ,!,тя обоих се топов. Гак для температуры отклонения не превышают 5"». Гораздо большие оинчня наблюдаются ночью в высоких ínupoiax. Здесь опшснтсльное ожлонспие составляет уже около 20"-.. во время равноденствия и несколько меньшее (15"-1.-17%) в солнцесюяпне.'

Картина горизонтальной циркуляции отражает общие закоиомер-UOC1U поведения меридиональных и зональных вефов. В представлен-пых расчетах в верхней термосфере для условий солнцестояния в утреннем и дневном секторах отмечается меридиональный вечер величиной около 100 м/с, направленный из лешего полушария в зимнее, а

также усиление средних тональных потоков в тимием полушарии на всех высотах.

В о тсуги вне мезосферпых приливов, которые в модельных расчетах не проникают в тсрмосферу черен нижнюю границу, распределении пепфальны.х параметров на средних п низких шпротах нижней термосферы доминирующую роль iirpaei полусуточный прилив, возникающий в обласш высот 120-¡50 км благотарч балансу между силами давлении н Кориолпса. Так в температуре па высоте 132 км его амплитуда равна приблизительно i2 К, а ма. .пмумы паблюдаичея вблизи 22h и 10h LT. В природе же значение го, по-видимому, невелико, гак как по данным измерении в области зыеот 100-140 км преобладают полусуточные приливные ;инглч: .па, проникающие сюда из нижележащих CJOC!) атмосферы.

Отрабокпшая на рассмофепниГ. , о вюроп главе модели посга-ноика задачи, а также методы чис.т"мюго интегрирования трехмерных нелинейных уравнений, использовались затем в более полной термо-сфсрной модели, которая в качестве блока «ходит в Глобальную Самосогласованную Модель Термосферы, Моносферы и Протоносфсры (ГСМ ТИП).

Резулыагы численных ¡ксперпмепюв, выполненных с ее помощью обсуждаюIся в третьей главе. Здесь же дайся краткое описание модели ГСМ ТИП, в создании ко юрой автор принимал участие в составе труппы научных сотрудников КМНО П'ЗМИРАН.

Структурная схема и основные уравнения модели ГСМ ТИП приведены в ч-' 3.1. Модель основана на численном интегрировании системы кназигидродипампчгских уравнении для многокомпонентной околоземной плазмы в обласш высот от 80 км до 15 земных радиусов и состоит из трех основных блоков: гермосферного, поиосферно-нротоно-сферною и блока расчета тлектрнтсскпх полей, между которыми осуществляется обмен информацией.

В гсрмосферном блоке от Х0 км до 520 км рассчитывается температура, среднемассовая скоросп , концептрацли основных компонент состава (Oj, N2, О). В сравнении с моделью тсрмосфсры, описанной во второй главе, внесеш,! следующие изменения:

- вычисления проводятся » сферической геомагнитной системе координат;

s

- и модельных уравнениях унепы члены, описывающие влияние ионосферы па чермосферу;

- paшосшая ceiua mteei просфанавеипое разрешение 10 по ши-poie и 15 ""о долине, lio in.icoio сегка осталась неравномерной с числом \ l io» рапным 30.

!? iioiioc(])epii.)-iipofonocij)ep¡!¡>\; блоке рассчтыпаючея:

- суммарная концентрация молекулярных ионов ([0?*]+[N+ [NO4]), их температура и скоросгь. Вычисления выполняются в сетке ■1ермосфер,".)Ю блока, описанном выше:

- коииешрапии атомарных ионов О* и их температура и скорость вдоль силовых чрубок гсомапнппого поля с учетом '»декгрома! ШПП010 дрейфа;

- копией фании и темпераiypa иск фонов. Для расчема нараме1ров верхней ноносфер|>1 выбрана дппольпая сисмема Koop.innai, в ко юрой основания силовых линий па bi.icoic 175 км окюя! друго! друча па 5 по широк'и ¡5 по долине.

Уравнение^! Кассопа дли почешшала.л'екфнческого ноля в ионосфере решаем см па сферической поиермюеш (Ь -1 75 км), в ccikc. в которой заданы основания силовых линий.

'^МЬШШШ .IIUPJLMCJ рамп_ модели я в. ыю i с я:

- ионизирующие и диссоциирующие поюки солнечного УФ излучения;

- потоки высыпающихся »лекчроиов;

- продольные юки юп I и 2 или разноси, потенциала поперек полярной шапки.

l'esy.ii.iaibi самосогласованных вычислений, иропедеппых uu ГСМ ТШ1 для слаб возмущенных геомаппииых условий. весеннею равно-депоьня и мнппмума солнечной акншносш (Гц."=70). продаав.чепы в pa uh jc J. 2.

Показана вошожиосп. адекватною описании и'рмосферпых параметров, в юм числе Т„, без доПолшнельпых параметризации высоко-uinpoTiii.i.x пеючннкои »пергнп и импульса.

Учшываемые в самосогласованной иоемпювке попосфсрпо-к-рмо-сферные свят ношоляю! ¡начиie ii.no улучшпп. колпчес1венн1»е согласие рассчшаннон нейтральной к-мпераиры с моделью MSIS-86 на высотах Р2-областн, которое не удавалось получшь в расчс!ах. представленных во второй шаве. Наблюдаемые различия между зм-

лирической к к'орознческой моделями в »квлюрналышн области в ночные часы обусловлены влиянием полусуточного прилива мсзо-сферпого происхождения, который учитываемся в MSIS-S6 и не jsoc-.рошводится в представленных расчетах из-за условия непроницаемое! и на нижней границе.

IViy.n.iaiM самосогласованных расчетов на ГСМ ТИП показываю:, что зффемы ионосферпомсрмосферпых связей зависят от высоты. Так, влияние джоулевой диссипации на нейтральную атмосферу в большей степени проявляется па высотах верхней зсрмосферы, а возденемте поносферно! о дрейфа более эффективно » нижней. Это пол-м.ерждаок'я как количественным анализом источника джоулсва ма-ipeiia на различных высозах, так и фактом образования вихрей в утреннем и вечернем секторах высоких шпрот, которые особенно отчество видны в картине циркуляции нейфальиого газа на высозс — 120 км. В верхней же зсрмосфере в условиях слабой геомагнитной возмущенноеги ana ioi ичиые вихри не образуются.

Сравнение коннешраипй основных газовых компоист нейтральной л1мосфсры пок i пило, чю различим в рассчитанных значениях копнен ipaunii с моделью MSIS-S6 на высок' 300 км доспи ;ici (||акто|)а 2. Однако, принимая во внимание точность определения состава самой »мпирпчсской моделью, коюрая па них высотах cot лавляет 30-50%, а к1кже noipeiiiHocii. расчетов, можно предположим., чю полученные распределения состава лежат в пределах возможных ошибок.

Чпачшелмюс влияние на тепловой режим к'рмосферы' оказывают динамические промессы. Впервые был выполнен количественный анализ mohihocih них источников с помощью специально ра ¡работники о пакета диагностических программ. Получаемые в расчетах просфансшснно-врсмспныс распределения кмпера туры, скорости* состава и друшх модельных параметров использовались ,чля конструирования oí ильных членов уравнения icii.ioboto баланса.

1\.чудыл1ы исследований нрелианлены в $3.3. Трехмерная постановка nonio 1Яст ра ¡делим, (ффеьты вертикальных и горизонтальных движений в формировании leii.ionoii структуры к'рмосферы. Пока-lano, чю в неосвещенное время су юк 'Основным источником нагрева верхней к'рмосферы яв ixioich paóoia сил сжашя н конвективный перенос к'нла. нндунн|1уемые юриюта.н.ными нефамп. 'Зпачиюлыю yciyiiaioi им но лбеолюшой величине (нриблиннелмк) в 2 раза) ско-

in

рост нагрева/охлаждения вызываемые вертикальными движениями нейтральною газа. Однако, из-за различной пространственном локализации >п!л процессов, ж'рчнка.п.ные движения iu\ же могут влиять на распределение Т„ в области вечернею терминатора.

Нагрев высокоширотной облает при рассмотренных слабовозму-щепных icomaiiüiiш.1х условиях происходит, в основном, благодаря джоулевой диссипации, скоро гь шнрева от которой на высоте 300 км составляет около 3000 К/сут в максимуме, что сопоставимо с нагревом солнечным УФ па этой высоче на экваторе. Джоуле» нечочнпк (как и другие рассмотренные источники) испытывает чиачтедьные ГТ-ва-риацпп, обусловленные различной освещенностью геомагнитных полушарий. И чеченце сучок мощпоеп. ei о изменяется в 2.5-3 раза.

Результаты более подробною исследования стр\ктуры фрикционного (джоулева) источника в термосфере, выполненною чакже с помощью диагностического пакета, приведены в j> 3.-1. Локальная мощность разогрева нейтрального газа этим источником равна:

"'.о: ~0:-

п i '"„ + "'.

Здесь пп - концентрация п - компоненты нейтрального газа: и ш-прпведеппая масса; m¡- массы нейтральных и заряженных часчиц;

у у - векторы средиемаесовой скорости нейтрального газа и заряженных частиц соответственно.

Количественный анализ источника выполнялся для трех случаев: Vn-0, f'¡ -0 и полный вариант.

Показано, что в слабовозмушеппых геомапштпых условиях основная часть энергии джоулева ис точника рассеивает см в нижней термосфере, где происходит диссипация токов, а тепловой эффект в Несколько раз выше в верхней атмосфере, в области диссипации кинетической энергии нейтралыюгогаза. При этом пространственная локализация этого источника иа высотах Р2-областп ионосферы в значительной мере определяется картиной циркуляции нейтрального ia-за, а на высотах E-области - распределением электрического поля. Проведено сравнение потока джоулевой энергии с аналогичными величинами, полученными экспериментально. Показано, что использо-

ванне в молельных расчетах пространсгвенного распределения источника джоулева наг рева в том виде, который определяется по наземным магнитным данным, представляется неправомерным для высот г2-областп ионосферы.

Впервые расчеты по моделированию суббури и суббурсвых эффектов в термосфере были выполнены на самосогласованной модели тер-мосферы-иоиосферы и электрического поля 3.5). Для исследовании была выбрана суббуря, имевшая место 25 марта 1987 г., ионосферные эффекты которой наблюдались над установкой EISCAT (70°N, 19.2° Е). В расчетах суббуря моделировалась заданием системы продольных гоков и электронных высыпаний. Геометрическая конфигурация и значение амплитуд задавались так, чтобы добить«: наилучшего согласия с поведением северной компоненты электрического поля и ионосферных данных, измеренных над точкой EISCATa.

В силу тематики диссертационной работы рассматривались только тепловые эффекты суббурп в нейтральной атмосфере. Выл выполнен анализ пространсгиснно-нремсннмх распределении интенсивности джоулева нагрева и Т„ на различных фазах суббурп хш двух высот 127 км п 279 км. Показано, чю и ппжпеп термосфере на всех этапах развн-. гия возмущения пространственное распределение температуры определяйся джоулевым нагревом. В верхней термосфере на фазе восстановления наблюдалось перемещение температурного максимума из облает джоулева разогрева. Причиной этого екьти не внешние источники энергии (высыпания, например), а перераспределение тепла, индуцированное динамическими процессами.

В (включении крапсо перечислены основные рсмулыаты, полученные в paóoie.

IV. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ

Основные pcn.iMaibi пасюяпип рабби.1 можно сформулировать следующим обра юм:

I. Patpaóoiana численная молен, iciuoiioro баланса термосферы. Она являек'я сооавноп часпло i лобальпой самосогласованной модели 1срмосфсры, коюрая пошоляе! рассчитывать как квазпегацпо-нарпые ((|юиовые). kik п во<м\щснныс шачепия параметров нейтральной a iмосфсры.

2.13 результате проведенных расчетов получена картина суточных и сезонных вариаций температуры и других нейтральных параметров, удовлетворительно согласующаяся в верхней тсрмосфере с данными наблюдений. Для нижней термосферы показано, что характер вариации температуры, состава и ветров определяется полусуточным приливом, проникающим па эти высоты через мезосфсру. Амшппуда 12т» часовых приливных колебании собственно термосферного происхождения приблизительно в 2 раза меньше и быстро уменьшается с высотой, поэтому их влияние на распределение нейтральных параметров незначительно.

3. Численные эксперименты на Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы-Иоиосферы-Протоносферы и электрического полл (ГСМ ТИП), в которую составной частью входит упомянутая выше термосферпап модель, показали, что учитываемые в такой постановке попосферно-термосферныс связи значительно улучшают количественное согласие рассчитанной нейтральной температуры с эмпирической моделью Мй18-86 па высотах Р2-областн. В дневные и вечерние часы 01ЛИЧИС между ними составляет около б"» и несколько возрастает и ночном секторе.

4. Динамические процессы и их воздействие на тепловой режим термосферы исследовалось при помощи специально разработанного пакета диагностических программ. Впервые был выполнен колпче-

. ственнын анализ мощности источников тепла динамического происхождения: работы сил расширения/сжатия, конвективного переноса тешит, "вяз.кого" нагрева; определена нх прост ранет венная структура.

5. Проверено исследование источника джоулева нагрева в тсрмосфере, выполненное также с помощью диагностического пакета. Показано, что в слабовозмущснных геомагнитных условиях основная часть энергии этого источника рассеивается в нижней тсрмосфере, где происходит' диссипация токов, по тепловой эффект в несколько раз выше в верхней атмосфере, где. он обусловлен диссипацией кинетической энергии нейтрального газа. Джоулев источник (¡сак н другие рассмотренные источники) испытывает значительные УТ-вариаппн, обусловленные различной освещенностью геомагнитных полушарий, что приводит к существенным иТ-варпацням и в нейтральной температуре.

6. Впервые термические возмущении по время суббури анализировались но ре»ультагам численных экспериментов выполненных на глобальной модели, которая самосогласованно описывает не только термосферу, ионосферу п иротопосферу, по и электрическое поле машп-тосфериого ч динамо происхождения. Роультаты расчетов покачали, чю наряду с известными эффектами в поведении Т„ во время суббурн. происходит перемещение температурного максимума из облает джо-улсва разогрева. Показано, что причиной этого стали не внешние источники энергии, а перераспределение тепла, индуцированное динами чески мп 11 роцессам п.

JI И Т Е Р А Т У I' А

1. Колесник Д.Г., Королев С.С. Трехмерная модель термосферы. -Геомигнеппим и азропомии. 1981, т.23, № 5, с. 774-778.

2. Dickinson R.E., Ridley Е.С., Roble R.G. Thcrmosnheric general : circulation model w.th coupled dynamics and composition. - J. Al/aox. Sci.. 1984, V. 41, jV> 2, p. 205-219.

3. Fuller-Rouell Т..I., Rees D. Derivation of a conservationequation 1'от mean molecular weight lor a two-constituent gas within a three-dimensional, time-dependent model of the thermosphere. - I'lunet. Space Sci.. 19X3, V.3!. №1 I, p. 1209-1222.

4. Карпов П.В., Смертип B.M., Ьессараб Ф.С. Расчемы r:ioGajii>iu-ix распределении к'рмосферных параметров. Препринт ИЗМИР АН, № 72/686, М.. 1986, 19 с.

5. Rees D., Fuller-RoucH Г.J. Ihermospheric response and Iced back to amoral inputs. - In: Ашчигч! I'lnues. Cambridge inivereity Press, 1991, p.51-63.

6. Roble R.Ci., Rulles H.C'.. Richmond Д.IX. Dickinson R.E. A coupled riicrmosphere/lnnospliere Model. - (¡euphys. Res. l.etler, 1988, V.I5, p. 1325-1328.

7. Richmond A.IX. Ridle> l-.C'., Roble R.Ci. A thermosphere-ionosphere general circulation model uliiih coupled clccirodinatnics.- Ceophys. Res. Lett.. 1992. V .19. ,V><), p. 601-6114.

8. llaMia.ia.ne А. А.. Корепьков 10.11., Клименко В.В., Карпов И.В., 1>ессараб Ф.С.. (Лротш В.А., Глмненко Г.А., Наумова Н.М. Гло-

u

бальная численная модель термосферы, ионосферы и прозопосфсры Земли. •Теолшгнеттч и аэрономия, 1990, Т.ЗО, Л!> 4, С. (>12-619.

V. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Апробации работы. Основные результаты, изложенные и диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по физике ионосферы (Казань, 1989 г.), V симпозиуме КАГ1Г (Самарканд, 1989 г.), на Ш совещании Математические модели ближнего космоса (Москва, 1993 г.), представлялись на XIX ассамблее ЕГС (Гренобль, 1994 г.), VIII международном симпозиуме по Солнечно-Земной физике (Сендай, 1994 г.), на XXI генеральной ассамблее МСГГ (Боулдер, 1995 г.), XX ассамблее ЕГС (Гамбург, 1995 г.), а также неоднократно докладывались на обьедииеипых семинарах '30 ИЗМИРАН

1. Карпов И.В., Смерти Ü.M., Бессараб Ф.С. Трехмерная нестационарная модель термосферы. - Препринт ИЗМИР АН, № 49/582, 1985, 25 с.

2. Карпов И.В., Смерти В.М., Бессараб Ф.С. Расчеш глобальных распределении тсрмосферпых параметров. - Препринт ¡ИМ¡Я' АН. № 72/686, 1986, 19 с.

3. Namgaladzc A.A.-, Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bcs-sarab F.S., Surotkín V.A., Glushchcnko T.A. and Naunwva N.M. Global model of the thermosphcrc-ionoiiphere-protonosphere system. - J'ure And AppU Geophys., 1988, V.I27,№2/3, Г. 219-254

4. Намгаладзс A.A., Корсньков 10.H., Клименко В.В., Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Суроткин В.А., Глушенко Т.А., Наумова Н.М. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протопосфсры Земли. - Геомагнгтюч и аэрономия, 1990, Т.ЗО, № 4, С. 612-619.

5. Бессараб Ф.С., Смертин В.М. Суточно-сезонные особснноспи поведения параметров нижней термосферы. - Геомагнетизм и аэрономия, 1990, Т.ЗО, № 6, С. 1011-101=3.

6. Бессараб Ф.С., Смертин В.М. Суточно-сезонные особенности поведения среднемассовых параметров термосферы. - В сб. Ионосферная динамика, ИЗМИР АН, М., 1992, С. 43-57.

7. Бсссараб Ф.С., .Сорепьков Ю.Н. Влияние динамических процессов на тепловой режим верхней тсрмосферы. - Геомагнетизм, и аэрономия, 1993, Г.33, № 5. С. 120-¡26.

(Спреиьков Ю.П., Ксссараб Ф.С., Смерти В.М., Клименко В.В. Модельный лналт пространственной структуры джоулева источника nai рева в гсрмосферс Земли. - Геомагнетизм и аэрономия, 1993, Т.30, №5, С. 127-134.

9. Кореиьков IO.I I., Бсссараб Ф.С., Клименко В.В. Вариации температуры а термосфсре высоких широт по время суббури. - Геомагнепшзм и . аэрономия. 1995, Т.35, № 2, С. 100-108.

10.Korenkov Yu.N., Bcssarab F.S., Klimenko V.V. Suroikin V.A. and Smertin V.M. Numerical modelling of ihe ihcrmosphere-ionosphere coupling during sub.storm. - Adv. Space Res, 1996, V. 18, P.41-44.