Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Электронная концентрация в области D высокоширотной ионосферы по данным зондовых ракетных измерений

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Ванина, Людмила Борисовна, Москва

/ /

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГЩРОМЕТЕОРОЛОГИИ М

/

МОНИТОРИНГ! ОКРУЖАЮЩЕЙ £ТЕЩА

на правах рукописи

Ванина Людмила Борисовна

ЭЛЕКТРОННАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ В ОБЛАСТИ В

ВЫСОКОШИРОТНОЙ МОНОС#ЕРЫ ПО ДАННЫМ 30НД0ВЫХ РАКЕТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

на соискание ученой степени

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор

Москва ■ 2.998

СОДЕРЖАНИЕ

>тр,

Глава Область ионосферы В высоких широт как продукт взаимодействия фотохимических, м&гни-тооферных и термодинамических процессов__ 8

1.1. Химический состав и ионизующие компоненты

в области В ионосферы высоких широт__10

1.2. Магнитосфера Земли и полярная область 0_ 21

1.3. Зимняя аномалия поглощения радиоволк как яркое проявление метеорологического контроля области В__ 36

1.4. Основные выводы__45

Глава 2. Усовершенствование автоматизированной бавы

данных___ 48

2.1. Вава данных___50

2.2. Структура бавы данных.______51

2.3. Усовершенствование сервисного и математического программного обеспечения информационной базы данных__________53

2.4. Основные выводы____ 54

Глава 8. Морфологический анализ измерений электронной концентрации в верхней области В высоких широт..............

56

3.1. Исходные данные___57

3.2. Зависимость СеЗ от зенитного угла Солнца,_ 58

8.3. Зависимость [еЗ от положения станции относительно аврорального овала,_ 64

3.4. Асимметрия полушарий_______

й--

З.ь. Сезонные эффекты.

3x6, Основные выводы__________78

Плава 4» Сопоставление электронной концентрации в верхней области D высоких широт о геомагнитными параметрами и корпускулярными потоками____79

4.1. Исходные данные___ 80

4.2. Зависимость СеЗ от геомагнитных индексов

на станции Молодежная___ SS

4.3. Зависимость СеЗ от геомагнитных индексов

на станции о. Хейса (авроральный овал)_ 89

4.4. Зависимость Ее] от геомагнитных индексов

на станции о. Хейоа (полярная шапка)_ 94

4.5. Основные выводы_ 96

Глава Б. Особенности изменения электронной концентрации в области D ионосферы высоких широт

во время солнечных протонных событий_ 99

5.1. Гелиогеофивичеокая обстановка во второй половине октября 1989 г____99

5.2. Изменение высотного профиля СеЗ(h) во второй половине октября 1989 г, на фоне СПС и весенней перестройки вокальной циркуляции ветра,___10S

5.3. Основные выводы__108

109

ЛИТЕРАТУРА

111

ВВЕДЕНИЕ

Изучение поведения области 0 высокоширотной ионосферы при различных гелиогеофизических и метеорологических условиях необходимо как в научном, так и практическом плане. Основной пзраметр ионосферы - электронная концентрация [е], составляет 101^1СГ± ом~° на высотах мезооферы (50-90 км), что намного меньше, чем в вышележащих областях. Несмотря на это, область В существенно влияет на распространение радиоволн в широком диапазоне частот. При сравнительно высокой плотности нейтральной среды на высотах 50-90 км велика частота соударений электронов с нейтралами, определяющая поглощение радиоволн в КБ и СБ диапазонах. Для длинных и сверхдлинных радиоволн область 0 является отражающей.

Пространственно-временные вариации распределения Ее] определяют сложные амплитудные и фазовые эффекты при распространении радиоволн.

В последние годы растет интерес специалистов различных областей к изучению явлений в атмосфере высоких широт. Причины этого заключаются в стратегическом положении, которое занимают как арктическая, так и антарктическая области, лежащие в центрах северного и южного и на стыках восточного и западного полушарий. Сильная изменчивость верхней атмосферы полярной области, связанная со сложностью и разнообразием протекающих там -физических процессов создает на сегодняшний день трудности в прогнозировании параметров радиосвязи, радионавигации и других важных в прикладном плане характеристик. Это активизирует исследование верхней атмосферы высоких широт, ее

морфологии и физики протекающих в ней явлений.

Именно в высоких широтах наблюдается целый комплекс уникальных физических явлений, связанных' с конфигурацией магнитного поля Земли и проникновением в верхнюю атмосферу плазмы солнечного ветра и энергичных заряженных частиц. Полярные сияния, случаи поглощения в полярной шапке (ППШ), высыпания высокоэнергичных протонов и электронов в равной мере интересны для физики (в виду комплексности протекающих физических процессов) и важны для практики (возможность прогнозирования различных последствий прикладного характера). Денную информацию об ионосферных процессах можно получить при сопоставлений экспериментальных данных, полученных на магнитосопряженных высокоширотных областях (Арктика Антарктика). Существует предположение, что при определенной ориентации межпланетного магнитного поля (ММП) силовые магнитные линии одной из полярных шапок непосредственно связаны с ММП. Изменение ориентации ММП приводит к смене знака северно-южной асоиметрии интенсивности солнечных космических лучей (СКЛ), т.к. при этом, очевидно, изменяются условия входа потоков СКЛ в магнитосферу Земли. При устойчивой полярности ММП, отмеченной в некоторые годы, это предположение приобретает прогностическое значение; в такие периоды возможно заведомое превышение поглощения типа ППШ в одной из полярных шапок нашей планеты над поглощением в другой.

Ионосферная область 0 высоких широт сильно влияет на условия распространения радиоволн, что определяет практическую значимость ее изучения. Хорошо известны такие явления, связанные с увеличением электронной концентрации в области В,

как полное пропадание (фейдаут) распространения радиоволн на KB-трассах, проходящих черев полярную ионосферу, ППШ, авроральное поглощение (КВ-диапавон), а также сильные сдвиги фазы (SPA) радиоволн СДВ-диапазона.

Ионосфера Земли есть аэрокомическое образование, т.е. такие явления как иониеация, рекомбинация, диссоциация, вависящие от внешних параметров (уровень солнечной активности, степень магнитной возмущенности, наличие "высыпающихся" частиц, зенитный угол Солнца и т.д.) определяют состояние ионосферы. Именно с этой точки зрения ведется работа по решению задач ионосферного прогнозирования.

Однако с увеличением знаний о поведении D-области становится все более очевидным значительное, а порой и решающее (для средних широт), влияние на нее метеорологических факторов. Соответственно поведение области D не укладывается в схему, пригодную для описания остальной части ионосферы, поскольку многие особенности поведения области D не удается описать, привлекая только обычные гелиогеофизические параметры. Такие факторы, как термобарический режим стратомезссферы, процессы атмосферной циркуляции, упорядоченные вертикальные движения газа и т.д. необходимы при изучении D-области. Именно эти обстоятельства и выделяют эту область, контролируемую как гелиогеофизическими, та?; и метеорологическими параметрами. Это и есть суть концепции метеорологического контроля области D , появившейся в начале 80-х годов. Действительно, рассмотрение этой области ионосферы как части, метеорологической системы, включающей всю среднюю атмосферу, и, возможно, тропосферу, позволило по-новому

- я -

взглянуть на такие важные особенности области 0, как аномальные сезонные вариации, сильная изменчивость электронной концентрации при неизменных гелиогеофизических условиях, разная реакция зимой и летом на внешние возмущения и т.д. Как известно, время жизни заряженных частиц этого региона крайне мало (не более ста секунд). Следовательно влияние динамических факторов не происходит непосредственно через изменение и перераспределение концентрации заряженных частиц. Поэтому, надо иметь введу, что динамическое влияние реализуется через малые нейтральные составляющие (например, N0), имеющие большее время жизни по сравнению с временем установления фотохимического равновесия для заряженных частиц.

Изучение проявлений метеоконтроля и определение конкретных механизмов его реализации страдают большой степенью неопределенности. До сих пор плохо известны основные фотохимические процессы и константы скоростей реакций, которые послужили бы основой для построения полноценных теоретических схем области 0. Особенно это касается нижней области 0. где отсутствуют надежные данные о составе отрицательных ионов и невозможно создать законченную схему фотохимических преобразований заряженных частиц.

Основные возможности для изучения метеорологического влияния на область Б определяются эмпирическим путем при сопоставлении изменения параметров В-области с изменением различных метеорологических характеристик. Это является необходимым этапом для подтверждения самой концепции метеорологического контроля и выявления основных процессов, его реализующих.

rj _

/

В свете сказанного, целью данной работы является:

1) - модернизация автоматизированной информационной базы данных, содержащей ионосферный, термодинамические и гелиогеофизические параметры;

2) - выявление основных путей связи Се] с гелиогеофизическими параметрами;

3) - подтверждение концепции метеорологического контроля в области D и определение зависимости СеЗ от термодинамических

гт nn ni/л mr\r\rj »

¿¿dr^ciiVjd х уUа ?

4) - сравнение поведения ЕеЗ в высокоширотной ионосферной области D разных полушарий .

С этой целью был привлечен достаточно ' большой банк ракетных данных ДАО, содержащий необходимую ионосферную, гелиогеофизическую и метеорологическую информацию для области D высоких широт. Данные были получены на ст. Молодежная и о. Хейса.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые на основе богатого фактического материала проведена комплексная статистическая обработка ракетных данных и дана обширая морфологическая картина распределения [el в зависимости от г елиог еофизических и метеорологических параметров для области D высоких широт в фиксированных географических точках северного и южного полушарий.

Актуальность работы заключается в том, что на основе установленных эмпирических закономерностей появляется возможность усовершенствования моделей области D ионосферы высоких широт и уточнения существующих методов прогнозирования ее состояния.

Глава 1,

ОБЛАСТЬ D ИОНОСФЕРЫ ВЫСОКИХ ШИРОТ КАК ПРОДУКТ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОТОХИМИЧЕСКИХ, МАГНЙТОСФЕРНЫХ И

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

Ионосферная область D высоких широт в течение долгого времени остается плохо изученной как о точки зрения физики, так и морфологии. Трудности изучения и их причины описывались неоднократно. Они связаны со сложностью ионивационно-рекомбинационных процессов, достаточно высокой плотностью нейтрального газа, сильной зависимостью от высыпающихся корпускулярных потоков, падением надежности таких известных методов измерений параметров ионосферной плазмы, как зонды и массгспектрометры.

Важнейшим этапом в развитии теории области D последних десятилетий была конкуренция между детальными и упрощенными фотохимическими схемами Ш. Результаты исследований, полученные в обоих направлениях, внесли значительный научный вклад, и стоит отметить, что в настоящее время оба подхода используются для анализа реакции области D на различные естественные и антропогенные [£,33 воздействия . При построении упрощенных схем опускают малоизвестные детали ионных преобразований, что позволяет выделить узловые моменты ионизационно-рекомбинационного цикла.

•Различие з физике процессов и наличие надежной экспериментальной информации об ионосферных параметрах разделяют область D на верхнюю и нижнюю. В верхней ее части

отрицательные ионы отсутствуют, поэтому легче исследовать ионизационно-рекомбинационный цикл в целом. Для высот более 75 км проводился целый ряд надежных масс-спектрометрических измерений ионного состава, результаты которых в значительной мере легли в основу современных взглядов на физику верхней области 0. Также более надежны и гораздо более многочисленны в верхней области Б, чем в нижней, измерения основного ионосферного параметра - электронной концентрации Се] . Например, данные высотного ракетного зондирования [е](Ь) при помощи зондое Ленгмюра, которые будут представлены в следующих главах, являются более надежными на высотах от 75 км, т.к. на меньших уровнях измерения дают заниженные значения по сравнению с реальными [43.

В нижней области 0 имеются отрицательные ионы. Их состав и реакции, в которых они участвуют, известны, недостаточно хорошо. Соответственно отсутствует к достоверный профиль параметра X, определяющего отношение между величинами концентраций отрицательных ионое и электронов (% = п~/Ее]). Принято считать, что А = 1 на условной границе между верхней и нижней областью О, приблизительно равной 75 км (75-80 км ночью и до 70 км днем).

Ионосферная облась 0 представляет собой слабоионизованный газ, в среднем нейтральный. Для изучения процессов новообразования необходимо следующее: спектральное распределение коротковолнового солнечного излучения; интенсивность солнечных и галактических космических лучей, а также высыпающихся корпускул; химический состав, атмосферы; физические характеристики атмосферы (давление и температура),

%

скорость динамических процессов; солнечная и геомагнитная активность. Таким образом, область Б высоких широт является продуктом взаимодействия фотохимических,' магнитосферных и термодинамических процессов.

1.1. Химический состав и ионизующие ¡компоненты в области 0 ионосферы высоких широт.

К химическим компонентам области 0 относятся нейтральные (молекулы и атомы) и заряженные (положительные и отрицательные ионы, электроны). Поскольку предметом нашего изучения является поведение электронной концентрации, рассмотрим уравнение ионизадионно-рекомбинационного баланса, отражающего связь основного ионосферного параметра СеЗ с процессами новообразования и рекомбинации:

д(Ь) = «эффСеЗ*' , (1)

где д(Ь) - полная скорость новообразования на данной высоте, равная сумме скоростей ионизации всех составляющих атмосферы, а осэфф - эффективный коэффициент рекомбинации, определяющий скорость исчезновения заряженных компонент на данной высоте при отсутствии источника ионизации [51. Сам же коэффициент осЭфф имеет следующий вид ;

«эф* = ( 1 + Я )( а* + Аосвэ ), (2)

где о£* - усредненный по всем положительным ионам коэффициент диссоциативной рекомбинации, а сева -- константа процесса взаимной нейтрализации положительных и отрицательных ионов. Уравнение (1) легко вывести из уравнения непрерывности для положительных ионов при условии фотохимического равновесия.

когда мала роль процессов диффузии, горизонтального переноса газа, перемешивания и т.д., а потому скорости образования и исчезновения ионов и электронов в единице' объема в единицу времени равны между собой.

Поскольку в верхней области D можно пренебречь величиной Я, то в выражении (2) эффективный коэффициент рекомбинации будет определяться только величиной се*.

Фотохимия положительных ионов определяет ионизационно-рекомбинационный баланс в большей части области D. Необходимые экспериментальные данные о составе положительных ионое на высотах 60-90 км получаются, например, в масс-спектрометрических экспериментах, проводимых группами в США, ФРГ и Швейцарии. Концентрации основных положительных ионов, а также фотохимические процессы, в которых они участвуют, анализируются с помощью таких параметров, как:

т+ ss ГМП+1 / ГПо+1 уг t"+ _ ГРр+1 / ( ГМП+1 + ГП0+1 N

Y — LiHw J/ j Jfi J- — lU'Jj —1 / ^ LiiU J 1 L -> / }

где [Свт3 - концентрация ионов-связок (Нт(НгО)п» Ш+(Н£.0)п и др.). Параметры ф+ (при наличии одного типа ионов - N0T и 0г+) и f"*" (при наличии двух типов ионов Шт, 02* и Св"1") незаменимы при количественных оценках эффективного коэффициента рекомбинации основных ионов;

Й L.U2 ) + Ф ot ;..Nu ;

'Хэ1$ф(Н0+, 02+) - } \r-'i

1 + !?+

с£* (NO"1*, 02+) + f+о£* (Св+)

<*эфф (N0*, , Св+)

pi-

Авторами работы [6] был отмечен факт хорошо выраженной зависимости Г*" от Ее] для зимних экспериментов, хотя летние измерения выпадают из этой зависимости' [?]. Различие в поведении для летних данных, с одной стороны, и для зимних и равноденственных, с другой, может иметь важные последствия для построения фотохимических схем области 0. Возможно подобное различие отражает значительные сезонные вариации метеорологических параметров (таких, как тепловой и циркуляционный режимы мезосферы), что приводит, к заметным изменениям характеристик ионизационно-рекомбинационного цикла процессов. Вопрос о сезонной зависимости £+ подробно рассматривался в работе С83. Чтобы избежать зависимости от [еЗ, параметр ^ на фиксированной высоте представлялся в виде:

Г0Уф([еЗ).

(ч •

Далее значения fT приводились к Ce3=const. Полученные таким образом значения f'o^ показали, что в зависимости от дня года, амплитуды сезонной вариации этого параметра различны на разных широтах. Это различие достигает двух порядков в средних и трех порядков в высоких ш