Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамические эффекты в атмосфере и ионосфере, обусловленные солнечным терминатором

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Динамические эффекты в атмосфере и ионосфере, обусловленные солнечным терминатором"

А

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА,

ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

на правах рукописи

ГАНГУЛИ Биплаб

УДК 550.388.2

ДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АТМОСФЕРЕ И

ИОНОСФЕРЕ ОБУСЛОВЛЕННЫЕ СОЛНЕЧНЫМ ТЕРМИНАТОРОМ

[04.00.22] - геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата фиоико-математических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Институте ионосферы Национальной Aia-демнн Наук Республики Каоахстан.

Научные руководит ест:

О'» ль '

Офжцжапыше оппоненты:

член-корреспондент НАН РК Проф. Дробхев Вжхтор Ивановжч дохтор фхэнхо-иатехатжчесхкх наух С он снов Вячеслав Хкхахяовжч

дохтор фжзххо-натематжчесхжх наух Иванов-Хоподныж Гор Семенович

дохтор фионхо-матенатжчесжжх наух Проф. Даншххк Нжхопаи Петрович

Ведукад органжэ&цжд:

Инстжтут Фжожхя Атмосферы Россжжсхал Академы Наух

.fio

Защита диссертации состоится TQflSi». ъ1@яъс. на оасе-

данхж диссертационного совета D 002.83.01 в ИЗМИРЛН 142092, г. Троицк, Московской обл. (проезд автобусом N 531, 512 или 508 от станции метро "Теплый стан" до остановки "ИЗМИРАН".

С диссертацией можно оонахоииться в библиотеке ИЗМИРАН. Автореферат разослан

Ученый секретарь Специалиоированного совета, дохтор фиоико-математичесхих наух

О. П. Коломикцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

В настоящее время имеется большое количество эмпирических и теоретических моделей распределения в пространстве и времени параметров атмосферы н ионосферы Земпн. Существуют модели распределения концентрации, температуры, давления, скоростей ветров в нейтральной атмосфере, модели распределения концентрации заряженных частиц, температур, ионнного состава в ионизованной оболочке атмосферы - ионосферы. Эти модели эффективно используются при расчетах глобальной циркуляции в атмосфере, концентрации оаряженных частиц, их температур и других параметров в прикладных оадачах распространения радиоволн, в oar дачах теоретического моделирования различных атмосферных и ионосферных процессов. Однако все существующие в настоящее время модели параметров атмосферы и ионосферы оперируют усредненными, сглаженными параметрами этих сред, что является естественным на настоящем этапе моделирования, поскольку такой подход упрощает очень сложную задачу моделирования. В то же время хорошо новестно, что в атмосфере и ионосфере Земпн существуют неоднородности различных пространственных и временных масштабов . Создание моделей возникновения неоднородно-стен важно и необходимо для практики и для интерпретации возникновения различных аффектов в атмосфере и ионосфере. Эти неоднородности помимо различных пространственных и временных масштабов характеризуются различной зависимостью от геограг фическнх и геомагнитных координат, высоты над поверхностью Земли, частотой своего появления, интенсивностью возмущения фоновых параметров атмосферы и ионосферы. Бели пытаться объяснить возникновение неоднородностей при глобальном подходе, то маловероятна возможность интерпретации экспериментальных данных на основе какого-то единственного четко определяемого механизма и необходимо считаться со многими факторами. Разумеется, как в случае всякой сложной системы, необходима классификация отих неоднородностей по каким либо существенным наблюдаемым параметрам или по определенному источнику их возникновения. Важным моментом является также регулярность или сравни-

тельнад редгость появления выделенного типа неоднородностеи.

В настоящей работе теоретически исследуются неоднородности параметров атмосферы н ионосферы, связанные с восходом и заходом Солнца. Данный хласс неоднородностеи характеризуется рогултрным временем появления одпн-два. р<гиа г- суш! п общим предполагаемым источником - они возникают при прохождении солнечного терминатора в атмосфере и ионосфере. Иовестно, что поглощение энергии солнечного излучения максимально в озо-нослое и в термосфере. Поэтому естественно рассмотреть возможность образования неоднородных структур в этоых областях. В работе проанализирована устойчивость слоя атмосферы при неравномерном распределении поглощаемой энергии Солнца по высоте. Получено, что в такой системе может раовиваться градиентно-радиадионная неустойчивость (ГРН), приводящая к образованию структур. Акустнко-гравитацнонные волны играют большую роль в динамике атмосферы. В работе анализируется характер взаимодействия этих волн с движущимся в атмосфере солнечным терминатором . Получено, что АГВ могут отражаться от терминатора и при определенных условиях усиливаются терминатором. Радарные наблюдения показывают, что в Г слое ионосферы существует специальный тип декаметровых неоднородностеи, время появления которых четко коррелирует с прохождением терминатора в поле зрения радара. Вооможность объяснения этих неоднородностеи за счет развития градиентно-дрейфовой неустойчивости в Г-слое ионосферы при прохождении на этих высотах солнечного терминатора рассмотрена в отчете.

Целью работы являлось:

1. Проанализировать устойчивость слоя атмосферы при неравномерном распределении поглощаемой энергии Солнца по высоте.

2. Рассчитать коэффициенты отражения и преломления акустико-гравитационных волн при их взаимодействии с движущимся солнечным терминатором.

3. Дать теоретическую интерпретацию радарным наблюдениям декаметровых неоднородностей электронной концентрации возникающих во время захода Солнца на высотах Е-слоя ионосферы.

Научная новиона работы заключается в том что впервые:

1. Выполнены расчеты инкремента граднентно-радиацноннон неустойчивости с учетом нейтрального ветра.

2. Вычислены коэффициенты отражения и преломления акустико-гравитацпоннон волны от движущего солнечного терминатора.

3. Предложена физическая интерпретация Г-эргеас! на основе раовитпя градиентно-дрейфовой неустойчивости в плазме Г-слоя при пересечении вечернего терминатора и среднеширотного провала.

4. Предложено понятие критической сдвиговой скорости дрейфа пласты Г-слоя, существенное при интерпретации данных радарных наблюдений неоднородно стен в ионосфере.

Внедрение результатов

Результаты, представленные в диссертации, использовались в госбюджетных н поддерживаемых грантами работах, выполненных в ИИ НАН РК.

Апробация работы

Основные результаты настоящей работы докладывались на научных семинарах в ИИ НАН РК,на Международной конференции иКБ1 в Кюоте, Япония, в 1993 году, на конференциях Американского Геофизического Союоа в 1993 и в 1994 гг., на Международной конференции по физике солнечно-оемных связей в 1994 в Аяматы.

На оащиту выносятся:

1. Теоретическая модель обрааовання неоднородностеи в атмосфере включая ионосферу в переходные часы суток оа счет раови-тия градиентно-радиационной неустойчивости, связанной с неоднородностью по высоте поглощаемой энергии Солнца, учитывающая нейтральный ветер.

2. Расчеты коэффициентов отражения и преломления акустико-гравнтацношгых волн пря их взаимодействии с движущимся солнечным терминатором.

3. Теоретическая интерпретация радарных наблюдений Г-вртеаЛ на основе механиэма развития градиентно-дрейфовой неустойчи-

востя при пересечении вечернего терминатора и среднешнротного провала в F-слое ионосферы.

ионосфере с учетом неоднородности дрейфовой скорости плазмы. Понятие критической сдвиговой скорости в ионосферной лоазме существенное при интерпретаций данных радарных наблюдений не-одкородиостей в F-cnoe ионосферы.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит ио введения четырех глав и заключения. Общий объём 105 стр., 24 рисунков, 86 литературных ссыпок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована ее цепь, кратко нояагается основное содержание работы.

Ihasa I "Современное состояние исследований солнечного тер-мжнатора, как нсточняха образования атмосферных неоцнородно-стен".

' В п.1 проводится обсуждение фнонческнх условий в области солнечного терминатора (СТ) в атмосфере, кратко положена история вопроса.

В п.2 приведен обоор работ, посвященных вхспериментальным исследованиям области СТ.

В п.З приведен обоор работ, посвященных механизмам образования атмосферных неоднородностей в области СТ. Анализируются линейные механизмы, включающие генерацию волн движущейся ступенькой в поглощении энергии, движущимся градиентом электронного давления в ионосфере, магнитосопряженным терминатором. Далее рассматривается нелинейное взаимодействие солнечной радиации с атмосферными неоднородностями. На основе критерия Хайнса рассмотрена возможность образования турбулентности в области СТ. В заключение рассмотрены условия возникновения потоковой и конвективной неустойчивостей в области СТ. Делается вывод о том, что область СТ в атмосфере и ионосфере должна быть существенно неравновесной.

В п.4 приводится обоор результатов численного моделирования процессов генерации волн в области СТ.

Глава 2. "Влияние градиентов солнечной радиация на. обрлоо-ваняе структур в атмосфере

В этой главе рассмотрена градиентно-радиационная неустойчивость в атмосфере.

В п.1 анализируется физический механизм воонихновения неустойчивости слоя атмосферы для ситуации, хогда поток солнечной радиации хвазипараллелен атмосферному слою с достаточно большим значением градиента хоэффициента поглощения солнечной радиации.

В п.2 приводятся основные уравнения для возмущенной атмосферы, находящейся в лотохе солнечной радиации, и обсуждаются используемые в работе упрощающие предположения.

В п.З производятся расчеты действительной и мнимой добавок х частоте ахустихо-гравитационных волн (АГВ) за счет наличия градиента поглощения радиации в слое атмосферы. Мнимая доба-вха к частоте АГВ может быть выражена следующей приближенной формулой:

1ТПШ = + ^

где ь?т = с2т2 + ь>1 <4 - 7У/4с2, = ад/с2, г, = д(1), 5 = кС}, где к - коэффициент поглощения солнечной радиаци единицей плотности газа, ф - поток солнечной радиации, тик -вертикальная и горизонтальная компоненты волнового вехтора волны, д - устарение силы тяжести, 7 - газовая постоянная. Необходимвм условием неустойчивости является наличие в слое атмосферы увеличения поглощаемой энергии солнечной радиации с высотой 95/9т > 0.

м и

В заключение анализируется спектральный состав неустойчивых воомущений а также определены наиболее вероятные области развития градиентно-радиационной неустойчивости (ГРН) - оооно-слой, Е-обпасте ионосферы, облака, где возможно наличие больших палажнтелннх значении коэффициента поглощения радиации.

В п.4 рассмотрена ГРН с улетом наличия нейтрального горизонтального ветра. Определены области существенного влияния ветра на ГРН. В этом случае добавка к мнимой части частоты АГВ

имеет вид:

1тш - 3*»(9£с.+и&ил)дУ (2)

дг }

одесь V - скорость ветра. Когда скорость ветра уменьшается вверх, происходит усиление темпа нарастания возмущении. Возможность образования турбулентности в такой системе можно характеризовать эквивалентным числом Ричардсона:

= (дЩдг) Ш (3)

В случае малых значений числа Ричардсона образуется турбулентность.

Глава 3. "Ваяявяв солнечного термяяаторя яа атмосферные волны".

Вопросы генерации АГВ в атмосфере при движении солнечного терминатора в настоящее время хорошо разработаны. Менее исследованы, вопросы отражения н преломления АГВ при их взаимодействии с солнечным терминатором. Исследованию этих вопросов посвящена третья глава.

В п.1 выводятся основные уравнения для АГВ в области движущегося градиента температуры.

В п.2 получено дисперсионное уравнение дня АГВ.

В п.З рассмотрено взаимодействие солнечного терминатора с АГВ на основе расчетов коэффициентов отражения и преломления АГВ. Выражения для коэффициента отражения (И)'Н коэффициент преломления (Б) АГВ от терминатора могут быть выражены в следующих простых видах;

(Л/1 - А1ХА1С3 - Л3С1) (АГ1 + А2)(А1С2 + А2С1)

(4)

?__2С2АД(М2 + А2)__ш

" (ДГ! + Аг)(1 - М32)(Л1С? + А2С1) 1 } доя акустических волн и

„ _ 0*1 + Г /13(1 - 7М1) - (л!(1 - 7М?) 1 т

9 (ил - оЛ ч - -гМЯ) 4- ил (1 - I 1 }

9 0*1 - 'I Ма(1 - + /л(1 - 7Щ)

5 2Ы1-7 М?)

9 - и)'(м!+р2) - у(М?иг + Л/|/12)

(Т)

для гравитационных волн.

где = - числа Маха, - сюрость терминатора, С1,з

В п.4 численно оценивается коэффициент отраження.(рис.1 и рис.2)

В п.5 получено угловое соотношение для падающей, отраженной и преломленной волн. Анализируются хооффицненты отражения и преломления АГВ при различных углах падения. Показана возможность увеличения амплитуды преломленной волны.

Глава 4. "О механизме возникновения дехаметровых неоднородностен электронной хонттентряпии в вечернем секторе высокоширотной ионоарчры .

Радарные наблюдения выявили специальный тип дехаметровых неоднородностен электронной концентрации, возникающих во время захода Солнца на высотах Г слоя ионосферы [А] Спорадические неоднородности (Г-вргеа<1^) возникают при больших зенитных углах Солнца (х = 95°). С переходом х вечеру отн неоднородности исчезают н преобладают более крупномасштабные структуры. На основе большого массива данных наблюдении показано, что время появления Г-Бртеа<1 имеет г^почный ход, аналогичный сезонному ходу захода Солнца. Область сумеречного Г-зртеаЛ находится на широтах среднешнротного ионосферного провала. Неоднородности дрейфуют в западном направлении со скоростями 250 — 900 м/с н в северном направлении со скоростями < 50 м/с в системе отсчета, связанной с Землей. Скорость дрейфа уменьшается с понижением широты. Продолжительность событий 1 — 1,5 часа. Рассеяние радиоволн от этих неоднородностен возникает, когда область пересечения вечернего терминатора и среднешнротного провала попадает в поле зрения радара. Теоретической интерпретации данных

наблюдений сумеречного F-spiead посвящена четвертая глава.

Обычно прн описании процессов в плазме F-слоя слоя ионосферы при выводе коэффициентов подвижности ипи проводимости исполь-оуют условие малости частоты столкновений электронов с нейтральными частицами по сравнению с частотой столкновений электронов с ионами ye¡. Однако в области среднеширотного провала ven может быть блиохо к ve¡, поэтому в п.1 получены точные выражения для коэффициентов подвижности плазмы F-слоя.

В п.2 из уравнений кваоигидродинамики получено дисперсионное уравнение для траднентно-дрейфовых волн (ГДВ) в плазме F-слоя. Выражение для вещественной части частоты ГДВ имеет следующий простои вид в приближении сильно вытянутых неод-нородностей: ш = кх • v¡¡, тде кх - поперечный волновой вектор, vj = с[Е ' ко]/Но - дрейфовая скорость плазмы. Показано, что прн распространении ГДВ в плазме создаются возмущения электронной концентрации, которые и вызывают видимые на экране радара неоднородности. В качестве наиболее вероятной причины генераг ции ГДВ рассматривается градиентно-дрейфовая неустойчивость (ГДН) плазмы F-слоя. Для развития этой неустойчивости необходимыми условиями являются наличие в плазме градиента концентрации заряженных частиц и дрейфа плазмы во внешних электрическом и магнитном полях. Авторы работы [А] рассмотрели две конфигурации, в которых возможно развитие градиентно-дрейфовой неустойчивости, приводящей к вооннхновенню сумеречного F-spiead. В первом случае неустойчивость развивается за счет градиента электронной концентрации на северном краю среднеширотного провала и направленного на север дрейфа плазмы, скорость которого существенно меньше скорости западного дрейфа согласно наблюдениям . Во втором случае к неустойчивости приводят западный дрейф плазмы и градиент электронной концентрации на терминаторе, который, по-видимому, существенно меньше градиента электронной концентрации на северном краю среднеширотного провала.

В п.З получено выражение для инкремента ГДН для условий, когда наблюдается сумеречное F-spread, проанализированы условия максимальности инкремента. Наиболее важным из сделанных выводов является возможность развития неустойчивости под действием

макслмального согласно наблюдениям оаладного дрйфа плаомы в области северного храя провала, где градиент хонцентраднн заряженных частиц максимален. Достаточное условие развития ГДН

имеет вид:

7i = -KW^>áDe6l{k2x + k^ (10)

где De - коэффициент диффузии электронов вдоль магнитного поля, 6е = Vt/шц, где ve = Vei + Ven -частота столкновений электронов, шц - их гирочастота, JV^-граднент электронной концентрации на северном.краю среднешнротного провала, v¿x - скорость западного дрейфа плаомы, ку - поперечная компонента волнового вектора. Показано, что условие (10) выполняется при наблюдаемых параметрах N¿ и v¿x.

Из экспериментальных данных конвекции плаомы, полученных с помощью радара, видно, что скорость западного дрейфа плазмы возрастает с возрастанием широты. Такой сдвиг скорости можно иметь характерное время # = [dv¿x/dy)~l и 15-30 мин. В связи с этим представляет интерес выяснить как влияет наличие сильного сдвига скорости, т.е. малого i?, на ГДН. Этому вопросу посвящен п.4. Бели в процессе раовития неустойчивости появился пакет градиентно-дрейфовых волн, то его средний волновой вектор будет меняться со временем согласно уравнению Гамильтона: d\fdt = —где íoj = kj. • v¿. Инкремент неустойчивости максимален, когда к9 > 0, кх = — ку. Компонента волнового вектора кх = consi, так как в принятой модели нет зависимости от х или каких-либо параметров. С учетом этого получим : kg{i) = kvo+ | кх | т.е. , компонента волнового вектора кд растет со временем с характерным временем t? = (dvjx/dy)-1. В этом случае инкремент неустойчивости будет уменьшаться со временем, а коэффициент диффузионного затухания будет воораст&ть, поэтому условно нарастания амплитуды ГДВ будет выполнено только в течение некоторого времени tj,. В п.4 вычислен кооффициент усиления амплитуды ГДВ в условиях, когда наблюдается F-spread:

Ка и Д*"/"» (И)

где Vf, = v¿x - скорость западного дрейфа плазмы, Д =

7.о/7А>» Ъо = КVdxfNo, ido = 2D^Slkl.

Из выражения (11) видно, что коэффициент усиления амплитуды ГДВ реоко возрастает когда скорость дрейфа плаомы vjx > v/,. Критическая сдвиговая скорость дрейфа плаомы V/. имеет важное значение при интерпретации радарных наблюдений дрейфа неоднородностей в плазме. Она может равняться дрейфовой скорости плаомы и скорости ионного звука в плазме. Отсюда следует важный вывод о том, что только по величине скорости дрейфа наблюдаемых неоднородностей нельзя судить о том, какая именно неустойчивость приводит к генерации данных неоднородностей. Необходимо принимать во внимание значение критической сдвиговой скорости. Для наблюдаемых значении поперечной длины волны неоднородностей 35 м (работа [А]) при = 15-30 мин, что соответствует i), = 40-80 мин, получим из (11) значение коэффициента усиления Ка = 100. Если принять значение возмущения электронной концентрат цнн, видимое радаром порядка Ю-3 от фоновой, то ото означает, что в плазме F-слоя должны постоянно присутствовать нетепловые флуктуации N€ амплитудой порядка Ю-4 от фоновой, что весьма вероятно.

Литература:

[A] Ruohoniemi J.M. et al., J. Geophys. Res.y 1988, 93, All, 12871-12882.

В оажлючении сформулированы основные результаты и выводы. <

1. Предложен механизм образования неоднородностей в ооо-нослое и Е-области ионосферы в результате развития градиентно-радиационной неустойчивости, которые объясняют причину появления в этих областях неоднородностей в переходные часы суток.

2. Показана возможность эффективного взаимодействия акустикс гравитационных волн с движущимся солнечным терминатором.

3. Предложена интерпретация явлений F-spiead в ионосфере на основе развития градиентно-дрейфовой неустойчивости ионосферной плазмы при пересечении вечернего терминатора и среднеши-ротного провала на высотах F-слоя.

4. Проведены расчеты развития градиентно-дрейфовой неустойчивости в вечернем секторе ионосферы с учетом наблюдаемой не-

однородностн дрейфовой скорости ппаомы. Предложено понятие критической сдвиговой скорости дрейфа ионосферной плазмы, существенное при интерпретации радарных наблюдений неоднородностен в ионосфере.

Основн Od СОДОр^^иНЛО ДЛССё ртацлл опубликовало в следующих работах:

1. Сомсиков В.М., Гангули В.: О градиентно-радиационной неустойчивости. //Иовестия ПАЕ РК, сер. фло.-мат., 1993, N4, с.37-40.

2. Ganguly В., Sukovatov Yu. A.: On the interpretation of dusk scatter events. // Suppl. to EOS, April 19, 1994, p.245.

3. Sukovatov Yu. A., Ganguly В.: On the development of the gradient drift instability during the sunset in the F-region of the ionosphere. // Иовестия ПАП РК, сер. фио.-ма.т., 1994, N4, (в печати).

4. Суковатой Ю. А., ГЪшгули Б.: О механизме воонихнове-ння мелкомасштабных неоднородностей в вечернем секторе высокоширотной ионосферы. // Вестних ПАП РК, 1995, N2, (в печати).

5. Сужоватов Ю. А., Г5ангули В.: О генерации градиентно-дрейфовых волн в ионосфере во время восхода и захода Солнца. // Международная конференция по физике солнечно-оемяых свяоей. Теонсы докладов. 1994, с.16, Алматы.

6. Sukovatov Yu. A., Ganguly В., Krasnov V. М.: On the generation of gradient drift waves in the ionosphere by the solar terminator. // Snppl. to EOS, November 1, 1994, p.492.

7. Ganguly В., Somsikov V. M.: About the effects of solar terminator on the atmospheric waves: reflection aspect. // Suppl. to EOS, November 1, 1994, p.493.

3. Somsikov V.M., Ganguly В.: About the formation of atmospheric inhomogeneities in the solar terminator region. //J. a tmos. teir. Pbys., 1994, (в печати).

9. Somsikov V.M., Ganguly В.: About the effects of solar terminator on the atmospheric waves. // Доклады HAH РК, сер. фшз.мат., No.5, 1994, (в печати).

10. Somsikov V. M.,Ganguly В.: The influences of atmospheric

wind on gradient radiation instability. // Kaoroc HHTH, 5571-Ka94.

11. V.M.Somsikov, Yu.V. Arkhipov and B. Ganguly: About the radiation mechanism of the generation of atmospheric waves. // Euiopi&n Geophysical Society General Assembly, Hannover, 3-7 April,

■\1995. (TeoHCH floxnafta)

12. B. Ganguly, V. M. Somsikov: Solar Terminator region: a kitchen of inhomogeneity formation in the atmosphere and ionosphere. // EUtopian Geophysical Society General Assebbly, Hannover, 3-7 April, 1995. ( Teoncbi floxnana)