Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Формирование крупномасштабной структуры ионосферы в спокойных и возмущенных условиях

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Формирование крупномасштабной структуры ионосферы в спокойных и возмущенных условиях"

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи УДК 550.388.2

Тащилин Анатолий Васильевич

ФОРМИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРЫ В СПОКОЙНЫХ И ВОЗМУЩЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 6 НАР 2014

Иркутск - 2014

005545639

005545639

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Намгаладзе Александр Андреевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет», главный научный сотрудник

Иванов Всеволод Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет», профессор

Попов Георгий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Защита состоится "10" июня 2014 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д.003.034.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 126а, а/я 291, ИСЗФ СО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан "_"_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

По мере развития науки и техники усиливается непосредственное использование человеком околоземного космического пространства (ОКП). Этот объективный процесс стимулирует изучение ОКП, так как знание его текущего состояния и предсказание вариаций его свойств имеет важное значение для обеспечения нормального функционирования космической техники, наземной и космической радиосвязи, интерпретации и планирования научных экспериментов в космосе, для изучения антропогенного воздействия на окружающую среду и решения ряда других научных и прикладных задач.

В наиболее общем смысле околоземное космическое пространство можно определить как область межпланетного космического пространства, возмущенную присутствием Земли. Это возмущение простирается на расстояния, в 10-100 раз превышающие размеры самой Земли, что объясняется наличием у нее собственного магнитного поля. В зависимости от энергетических характеристик заряженных частиц, населяющих ОКП, в нем можно выделить три основные составляющие - ионосферу, плазмосферу и магнитосферу. Под ионосферой обычно понимают сферическую оболочку Земли на высотах /¡=50-1000 км, содержащую электроны и ионы тепловых энергий. Плазмосферой называют заполненную плазмой ионосферного происхождения область замкнутых силовых линий геомагнитного поля на высотах от 1000 км до плазмопаузы, расположенной на расстояниях от 3 до 7 радиусов Земли в зависимости от уровня геомагнитной активности. Остальную более внешнюю область ОКП занимает магнитосфера, населенная электронами и ионами высоких энергий.

Традиционно ионосфера рассматривалась как расположенный в верхней атмосфере Земли сферический слой холодной плазмы, основная роль которого сводится к преломлению или отражению электромагнитных волн, распространяющихся от наземных или космических источников через ионосферу. И только в последние 35-40 лет стало ясно, что -50 % всех заряженных частиц, наблюдаемых в околоземном пространстве, имеют ионосферное происхождение. Ионосферные источники в ОКП сосредоточены, главным образом, в полярных шапках и прилегающих авроральных зонах. Заряженные частицы тепловых энергий выносятся из этих ионосферных областей вдоль геомагнитных силовых линий в хвостовую часть магнитосферы, где ускоряются до энергий 1У>100 кэВ и под действием магнитосферного электрического поля распределяются далее по всему объему магнитосферы. Остальные 50 % энергичных заряженных частиц попадают в магнитосферу из солнечного ветра.

Другой важный аспект взаимосвязи ионосферы с вышележащими областями ОКП заключается в реакции самой ионосферы на эту связь. На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено, что между ионосферой и плазмосферой существует постоянное течение плазмы, которое в дневное время выносит заряженные частицы в плазмосферный резервуар, а но-

чью осуществляет приток плазмы в ионосферу. Величина потока ионов существенно зависит от объема резервуара и степени его заполненности. Так как объем геомагнитных силовых трубок быстро возрастает с ростом широты, а степень заполненности пропорциональна времени заполнения, т. е. длительности геомагнитно-спокойного периода, то эти факторы, контролирующие интенсивность ионосферно-плазмосферного взаимодействия, будут, в свою очередь, зависеть от широты и уровня геомагнитной активности. Следовательно, важную роль в формировании крупномасштабной структуры ионосферы и ее динамики при спокойных и возмущенных условиях должен играть процесс обмена тепловой плазмой между ионосферой, плазмосферой и магнитосферой.

Таким образом, изучение процессов, контролирующих образование и распределение тепловой плазмы в системе ионосфера - плазмосфера - магнитосфера Земли, с единых физических позиций является в солнечно-земной физике одной из ключевых и актуальных проблем, решению которой посвящена данная диссертация.

Цель работы заключается в исследовании влияния процессов взаимодействия ионосферы с плазмосферой и магнитосферой на формирование крупномасштабной структуры ионосферы (КМСИ) при различных геофизических условиях, включая магнитные бури. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка и реализация численной физико-математической модели формирования КМСИ, основанной на представлении о глобальной динамике ионосферной плазмы в результате совместного действия следующих основных процессов: (1) фотохимия с учетом ударной ионизации энергичными магнито-сферными электронами; (2) диффузия электронно-ионного газа с учетом нейтрального ветра; (3) заполнение плазмосферы, опустошаемой во время геомагнитных возмущений; (4) дрейф плазмы поперек геомагнитных силовых линий под действием электрического поля магнитосферной конвекции; (5) теплопе-ренос в ионосферной плазме с учетом обмена энергией между заряженными и нейтральными частицами; (6) перенос и термализация сверхтепловых (фото-) электронов вдоль геомагнитных силовых линий.

2. Создание теории диффузионного заполнения геомагнитных силовых трубок тепловой ионосферной плазмой и приложение этой теории к интерпретации наблюдаемой крупномасштабной структуры ионосферы.

3. Исследование особенностей формирования суточных, сезонных и циклических вариаций параметров среднеширотной ионосферы в геомагнитно-спокойных условиях на основе созданной модели ионосферно-плазмосферной связи, включая эффекты взаимодействия магнитосопряженных областей.

4. Исследование механизмов образования крупномасштабной структуры ионосферы на авроральных и полярных широтах в спокойных и геомагнитно-возмущенных условиях.

5. Исследование реакции ионосферы и плазмосферы на относительно быстрые (длительностью -1-3 ч) воздействия естественного характера, обусловленные спорадическими возмущениями параметров термосферы и солнечного излучения.

Научная новизна работы заключается в разработке нового подхода к решению проблемы формирования крупномасштабной структуры ионосферы, основанного на положении о необходимости учета процесса заполнения геомагнитных силовых трубок в качестве одного из важнейших механизмов формирования КМСИ. Показано, что под действием этого механизма возникает резкий широтный спад электронной концентрации, т. е. образуются горизонтальные неоднородности в распределении параметров ионосферы даже при отсутствии магнитосферной конвекции. Поэтому включение процесса заполнения в число основных факторов, формирующих структуру ионосферы, дает возможность адекватного описания не только вертикально-слоистой структуры ионосферы, но и ее естественной неоднородности в горизонтальном направлении как в спокойные периоды, так и во время геомагнитных возмущений.

На основе данного подхода, построена глобальная нестационарная модель динамики тепловой плазмы в геомагнитных силовых трубках с оптимальным набором физических процессов, среди которых впервые корректно учтен процесс заполнения плазмосферы.

Последовательное применение единого подхода к интерпретации широкого круга явлений, наблюдаемых в ионосфере средних, авроральных и полярных широт, позволило получить новые более надежные оценки эффективности различных физических механизмов, контролирующих особенности образования КМСИ практически при всех реально возможных геофизических условиях.

Методы и подходы, используемые для решения поставленных задач. Состояние ионосферы определяется, во-первых, воздействием большого числа внешних факторов, которые носят регулярный и случайный характер и, во-вторых, наличием нелинейных связей с нейтральной атмосферой и магнитосферой. Теоретическое исследование физических закономерностей эволюции такой системы осуществимо только методами математического моделирования. В рамках данной работы использовался следующий подход для решения поставленных задач:

- на первом этапе формулируются исходные уравнения, граничные и начальные условия, согласно которым отфильтровываются процессы с малыми временными и пространственными масштабами;

- затем выбираются или разрабатываются методы численного решения исходных уравнений, проводится анализ устойчивости разностных схем и алгоритмов их решения;

- определяются сценарии вариантов модельных расчетов и алгоритм их

анализа;

- проводится сравнение полученных результатов расчетов с данными наблюдений.

Такой подход позволяет детально и однозначно оценить влияние различного рода факторов и процессов на крупномасштабную структуру ионосферы, максимально упростить модельное описание КМСИ, определить границы применимости этих упрощений и в итоге полностью решить поставленные задачи.

Научная и практическая значимость работы определяется необходимостью более глубокого изучения фундаментальных физических закономерностей в строении ОКП и потребностями решения задач, связанных с расширением практической деятельности человека в околоземной среде. Результаты исследований, полученные в данной работе, применимы:

- при разработке математических моделей распределения тепловой плазмы в атмосферах планет Солнечной системы;

- при планировании и интерпретации космических экспериментов;

- для решения прикладных задач радиосвязи и космической навигации;

- в целях диагностики и прогноза состояния ионосферы и плазмосферы;

- в учебных курсах по физике ионосферы и верхней атмосферы.

Частично результаты представленных исследований использовались при выполнении ряда хоздоговорных работ, федеральной целевой программы Росгидромета «Геофизика», проектов, поддержанных грантами РФФИ, в которых автор являлся научным руководителем (гранты № 94-05-16000, 01-05-65374, 07-05-00950, 10-05-00786,13-05-00733) или исполнителем (грант № 04-05-64064).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Концепция формирования крупномасштабной структуры ионосферы, состоящая в том, что адекватное описание ионосферных неоднородностей должно базироваться на теории, которая, наряду с классическими процессами ионообразования, химических потерь и переноса, учитывает эффекты заполнения и опустошения геомагнитных силовых трубок тепловой ионосферной плазмой.

2. Трехмерная нестационарная модель ионосферы средних, авроральных и полярных широт, в которой учтены процессы взаимодействия с плазмосферой, между сопряженными областями, с нейтральной атмосферой и включено действие магнитосферных источников посредством высыпающихся энергичных электронов и электрического поля магнитосферной конвекции.

3. Теория заполнения геомагнитных силовых трубок тепловой плазмой и ее приложение к интерпретации наблюдаемых широтных изменений ионного состава и температур ионов и электронов в спокойных и возмущенных условиях.

4. Результаты физического анализа суточных, сезонных и циклических вариаций электронной концентрации и температур заряженных частиц в средне-широтной ионосфере в геомагнитно-спокойный период. Теория процесса взаимодействия сопряженных ионосфер через плазмосферу.

5. Новые механизмы формирования крупномасштабных структур средне-и высокоширотной ионосферы, включая главный ионосферный провал, провал легких ионов, полярную дыру и плазмосферные волноводы.

6. Основанная на модельных расчетах физическая интерпретация наблюдаемых вариаций параметров ионосферы во время магнитных бурь и кратковременных возмущений солнечного излучения в периоды затмений и солнечных вспышек.

Достоверность полученных результатов определяется:

- физическим обоснованием исходных принципов построения теории образования крупномасштабной структуры ионосферы;

- детальным анализом методов численного решения модельных уравнений;

- сравнением результатов расчетов с данными измерений со спутников и наземными радиофизическими методами.

Подобная апробация модели на имеющемся массиве экспериментальных данных показала, что полученное решение проблемы формирования КМСИ позволяет качественно правильно и достаточно точно описывать крупномасштабную структуру ионосферы в широком диапазоне геофизических условий.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Во всех проведенных исследованиях автор принимал участие в постановке задач, разработке методов их решения и анализе результатов. Теория процесса заполнения плазмосферы и ее приложение к формированию широтной структуры ионосферы разработаны совместно с И.А. Кринбергом. Под руководством автора совместно с Е.Б. Романовой проведены исследования механизмов образования крупномасштабной структуры высокоширотной ионосферы при спокойных и геомагнитно-возмущенных условиях. В соавторстве с JI.A. Леонович выполнены работы по ионосферным эффектам солнечных вспышек. Построение математической модели ионосферы и плазмосферы выполнено автором лично, так же как и основная часть расчетов, результаты которых представлены в диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИЗМИР АН, ПРИ, ИКФИА СО РАН, а также на Всесоюзной конференции по физике ионосферы (г. Ростов-на-Дону, 1974 г.), на Всесоюзном совещании по моделированию полярной ионосферы (г. Мурманск, 1980 г.), на Всесоюзной и Всероссийской конференциях по распространению радиоволн (г. Харьков, 1990 г.; г. Казань, 1999 г.; г. Нижний Новгород, 2002 г.), на Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферных процессов (г. Тбилиси, 1980 г.), на Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (2001-2013 гг.), на Всесоюзном совещании по полярной ионосфере и магнито-сферно-ионосферным связям (г. Норильск, 1980 г.), на Всесоюзном совещание «Крупномасштабная структура субавроральной ионосферы» (г. Якутск, 1981 г.), на Всесоюзном семинаре «Физика полярной ионосферы» (г. Иркутск, 1990 г.), на Международной конференции «Физика ионосферы и атмосферы Земли» (г. Иркутск, 1998 г.), на 26-м и 30-м Российских семинарах «Физика авроральных явлений» (г. Апатиты, 2003, 2007 гг.), на 5-м Симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (г. Самарканд, 1989 г.), на XXlh General Assembly IUGG (Vienna, 1991), на COSPAR Colloquim on Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Environment (Beijin, 2001); на COSPAR Scientific Assemblies (Beijing, 2006; Bremen, 2010), на XXIV"1 General Assembly URSI (Kyoto, 1993), на 6Ih EGU General Assembly (Vienna, 2008), на Всероссийской конференции «Солнечно-земная физика» (г. Иркутск, 2010 г.).

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и четырех приложений. Список цитируемой литературы включает 358 наименований. Объем диссертации 265 страниц, включая 82 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении с формулирована актуальность проблемы ионосферно-плазмосферного взаимодействия, решение которой позволяет построить единый подход к описанию пространственно-временных вариаций тепловой околоземной плазмы при различных гелиогеофизических условиях. Особое внимание обращается на роль процесса заполнения и опустошения геомагнитных силовых трубок ионосферной плазмой во время геомагнитных возмущений. Здесь же определены цель, научная новизна, практическая значимость работы и дано краткое изложение содержания и структуры диссертации. Представлены основные защищаемые положения, сведения об апробации работы и публикациях по теме диссертации.

Первая глава носит обзорный характер и структурно состоит из двух частей. В первой части представлено описание ионного состава и тепловой структуры ионосферы средних и высоких широт, а также плазмосферы, полученных в результате наземных и спутниковых наблюдений. Отдельно рассмотрены высотные и широтные вариации параметров тепловой плазмы и их изменения в зависимости от времени суток, сезона, солнечной активности и уровня геомагнитной возмущенности.

Во второй части главы дано изложение развитого нами подхода к теоретическому моделированию различных явлений, наблюдаемых в ионосфере и плазмо-сфере Земли. С этой целью кратко описаны основные положения общепринятой теории формирования ионосферы и более детально изложены результаты исследования процесса заполнения ионосферной плазмой геомагнитных силовых трубок, опустошенных в период действия магнитосферного возмущения.

Получено аналитическое решение задачи о диффузии электронно-ионного газа во внешней ионосфере и показано, что среднесуточное значение содержания электронов в плазмосферном резервуаре изменяется со временем в процессе заполнения следующим образом:

Л'т<£,

где I - время после начала заполнения трубки; т - характерное время ее заполнения и^»- предельно возможное содержание электронов в трубке. Получено, что эти параметры пропорциональны объему трубки и равны

т(Х)=0,15£.4 сут, см'г

Из приведенных соотношений следует, что для заполнения геомагнитных силовых трубок с 1>3 требуется более двух недель. В реальных условиях длительность спокойных периодов восстановления между магнитными бурями в

среднем не превышает 3-5 дней. Поэтому трубки с ¿>3 постоянно заполняются ионосферной плазмой. Учитывая, что опустошение трубок с 1<3 происходит только во время сильных (АГр>7), и следовательно редких, магнитных бурь, можно сделать вывод, что внутренняя часть плазмосферы находится в состоянии динамического равновесия с ионосферой, когда количество плазмы, втекающее в плазмосферу днем, равно количеству, вытекающему ночью в ионосферу. Таким образом, вследствие пропорциональности характерного времени заполнения т объему трубки, в реальных условиях трубки, для которых выполняется условие г«т(1), оказываются слабо заполненными. В результате образуется широтный спад концентрации заряженных частиц (на геомагнитных широтах Д>40°), отождествляемый с экваториальной стенкой главного ионосферного провала (ГИП) в слое ¥2 (см. рис. 1, а) и с провалом в легких ионах (ПЛИ) на высотах внешней ионосферы (см. рис. 1, б).

геомагнитная широта, А геомагнитная широт. Л

Рис. 1. Рассчитанные широтные профили концентрации электронов в максимуме р2-слоя (а) и ионов Н+ во внешней ионосфере (б) для различных суток после окончания магнитной бури в

условиях зимней ночи.

На основе полученного решения задачи о заполнении плазмосферного резервуара сделан вывод о том, что процесс заполнения силовых трубок является одним из основных механизмов формирования горизонтальной крупномасштабной неоднородности в Р2-слое ионосферы в виде резкого широтного спада плотности заряженных частиц, который необходимо учитывать для корректного описания крупномасштабных свойств ионосферы на основе теоретического моделирования. Практической реализации предложенного подхода к моделированию ионосферы посвящены все остальные главы диссертации.

Во второй главе сформулированы основные уравнения, описывающие поведение тепловой плазмы на высотах /7>140 км. Полагается, что заряженные частицы-образуются в результате фотоионизации термосферы УФ-излучением Солнца и ударной ионизации высыпающимися из магнитосферы энергичными электронами и затем заполняют геомагнитные силовые трубки дипольного типа.

Входными параметрами модели служат концентрации, температура и на высоких широтах горизонтальные скорости нейтрального ветра, спектр УФ-излучения Солнца, глобальные распределения электрического поля магни-тосферной конвекции и характеристик высыпающихся из магнитосферы энергичных электронов. Эти величины задаются согласно соответствующим эмпирическим моделям.

Модельные уравнения переноса записаны в диполярных координатах а. (3, у, определенных относительно декартовой солнечно-магнитной (БМ) системы следующим образом:

2

соэО, у= ф=0.2618 (МЬТ-12), (1)

где 7?Е=6370 км - радиус Земли; МЬТ - местное магнитное время в часах; (г, 0, <р) - сферические координаты в 5М-системе. Метрические коэффициенты ди-полярной системы координат определяются выражениями

1

На высотах й>140 км скорость ионов г-го сорта в диполярных координатах можно записать в виде У^Шаёа+У^ёр+Жуёу, где IV, V:1 - компоненты скорости поперек и вдоль геомагнитного поля соответственно. В диффузионном приближении уравнения непрерывности и движения для ионов г-го сорта имеют вид

<2)

где пе-Т,п, - электронная концентрация; Q¡ - скорость образования ионов 1-го сорта; т,- - характерное время жизни /'-го иона в химических реакциях; Г, и Г; -температуры электронов и ионов; V,,, и у*^ - частоты столкновений ионов г-го

сорта с нейтралами и с ионами сорта у, >п1 - масса иона; к - постоянная Больц-мана; СТц, (7ц - проекции на силовую линию суммарного ускорения сил тяжести и центробежной силы, а также горизонтальной скорости термосферного ветра.

В модели не учитываются различия между температурами отдельных ионных компонент, поэтому уравнения теплового баланса для электронов и ионов рассматриваются аналогично (2) как уравнения непрерывности для давлений ри ;=кпеТе,, и потоков внутренней энергии электронов и ионов вдоль силовой линии, записанные в следующем виде:

Н^^и^чН' (5)

Э Т 1

где ~ потоки внутренней энергии; V, =—^ГлЛ',11;

Z) = V-^W+Vej; кс и Kj - коэффициенты теплопроводности электронов и ионов

вдоль магнитного поля; - скорости охлаждения электронов при неупругих столкновениях с нейтральными частицами; Lei - скорость обмена энергией при кулоновских столкновениях между электронами и ионами; Üx - скорость тер-мосферного ветра поперек магнитного поля; L,„ - скорости обмена энергией при упругих столкновениях между ионами и нейтралами; ßj, QT - скорости нагрева тепловых электронов, соответственно, фотоэлектронами и вторичными электронами, образовавшимися в результате высыпаний энергичных электронов из магнитосферы; Qf- скорость джоулева (фрикционного) нагрева ионов в результате их движения через нейтральный газ.

Уравнения (2), (3), (4), (5) решаются численно вдоль геомагнитных силовых линий для ионов 0+, Н+, NO+, 02+ с учетом переноса и увлечения горизонтальным нейтральным ветром. Расчет скоростей ветра производился согласованно на средних и субавроральных широтах с учетом вязкости, силы Корио-лиса, ионного торможения и градиента давления нейтрального газа.

Особое внимание в главе уделяется описанию методики согласованного расчета скорости нагрева тепловой плазмы фотоэлектронами в ионосфере и плазмосфере Земли. С этой целью с использованием кинетического уравнения вычислялись энергетические спектры сверхтепловых электроного в магнито-сопряженных областях с учетом эффектов захвата и потерь энергии при их прохождении через плазмосферу.

Математическую основу модели составляет система дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями, для решения которой разработаны специальные численные методы. Так, уравнения переноса (2)-(5) с помощью преобразования пространственных переменных были приведены к консервативному виду и затем численно интегрировались методом встречных потоковых прогонок. Показана абсолютная устойчивость соответствующей разностной схемы и метода встречных прогонок. Для решения уравнений переноса фотоэлектронов и скоростей ветра разработаны абсолютно устойчивые разностные схемы и безытерационные алгоритмы их решения с помощью матричных прогонок. В целом погрешность численных расчетов для выбранных пространственной и временной сеток не превышает 20 %, что вполне приемлемо, так как значения аэрономических параметров, используемых в модели, определены с точностью до множителя 1.5-2.

Третья глава содержит описание пространственно-временной структуры среднеширотной ионосферы при невозмущенной геомагнитной обстановке, выполненное на основе разработанной численной модели ионосферы и плазмосферы. я

Рассмотрены вариации ионосферных параметров, которые периодически (регулярно) воспроизводятся в результате вращения Земли вокруг собственной оси и вокруг Солнца. Это так называемые суточные и сезонные вариации ионосферы. В связи с существованием 11-летнего цикла солнечной активности эти вариации накладываются на более медленные циклические изменения, которые также можно считать регулярными.

Для изучения регулярных вариаций ионного состава, температуры и других параметров ионосферы в данной главе выполнен анализ модельных расчетов этих величин для двух среднеширотных силовых трубок, параметр Мак-Илвейна которых равен ¿=2 и 3. На рис. 2 представлены рассчитанные суточные вариации концентрации электронов и высоты максимума Р2-слоя, выполненные для трех сезонов, представленных месяцами март (сплошные линии), июнь (штриховые), декабрь (пунктиры) при низком (Р10.7=70), среднем ^10.7=140) и высоком (П0.7=200) уровнях солнечной активности.

Из рисунка видно, что наибольшие дневные значения пет имеют место в равноденственный период. Этот факт отражает существование полугодовой компоненты в годовом ходе дневных значений электронной концентрации.

Сравнение результатов расчетов с данными наблюдений показало, что разработанная модель системы ионосфера-плазмосфера правильно воспроизводит суточные, сезонные и циклические вариации электронной концентрации, ионного состава и температуры в среднеширотной ионосфере как в качественном, так и в количественном отношении.

В поведении среднеширотной ионосферы значительную роль играет связь магнитосопряженных областей, осуществляемая посредством переноса низкоэнергичной плазмы, тепла и фотоэлектронов через плазмосферу. Так как источники заряженных частиц и энергии для всей трубки сосредоточены в основном в летней ионосфере, то, согласно расчетам, ее поведение слабо зависит от связи с сопряженной областью.

10'

3

—I-1—1-1-(—1—!—Т П0.7=70 ! ! .

...............1..............;.......... V /У: ■ . •• \ ч, 7.

иг, час

2 IX 24 " 0 6 1

ЬТ. час

ЦТ, час

Рис. 2. Рассчитанные суточные вариации параметров п„„ и /г,„ для трех уровней солнечной активности. Сплошные линии - равноденствие; штриховые - лето; пунктирные - зима.

Наиболее сильно связь магнитосопряженных ионосфер проявляется в образовании ночного максимума электронной концентрации пе в зимней ионосфере. Повышение пе в области высот -300-500 км начинается после захода Солнца в летнем полушарии, приводящего к охлаждению плазмы во всей силовой трубке. В это время во внешней зимней ионосфере действует источник ионов 0+, образующихся в результате перезарядки тепловых протонов, поступающих из плазмосферы. Охлаждение и соответствующее сжатие электронно-ионного газа приводят к усилению оттока ионов 0+ из внешней ионосферы на нижележащие уровни, где ионный поток тормозится нейтральным ветром, и в результате происходит накопление плазмы на высотах вблизи максимума Р2-слоя и уменьшение пе во внешней ионосфере. Увеличение концентрации ионов 0+ (и электронов) продолжается до момента восхода Солнца в летнем полушарии. Последующий нагрев плазмы вызывает тепловое расширение еще не освещенной зимней ионосферы, в результате чего выше примерно 500 км начинается рост [0+] за счет пришедшей снизу плазмы, тогда как в Р2-слое происходит довольно резкое уменьшение пе вплоть до момента местного восхода Солнца, т. е. формируется утренний минимум.

Одновременный расчет тепловой структуры ионосферы показал, что при возрастании уровня солнечной активности температура электронов в плазмо-сфере изменяется пропорционально ее значениям во внешней ионосфере. При этом градиент Те (или форма профиля в плазмосфере) остается практически неизменным в цикле солнечной активности. Согласно наблюдениям, с ростом солнечной активности (^10.7>140) в дневном профиле электронной температуры Те(Н) на высотах вблизи максимума слоя ¥2 появляется провал. Показано, что причиной этого уменьшения температуры является возникновение специфического условия, при котором скорость поглощения энергии е, ионным газом с температурой Т-, за счет кулоновских столкновений с электронами становится больше скорости нагрева электронов фотоэлектронами ОТ примерно в 2.6 раза, т. е. е. >2.6

В четвертой главе на основе разработанной модели с учетом действия магнитосферной конвекции и высыпаний энергичных электронов исследованы особенности взаимодействия ионосферы с вышележащими областями околоземного пространства на авроральных и полярных широтах (¿>3). Показано, что в субавроральной ионосфере, так же как и в среднеширотной, при спокойных геомагнитных условиях преобладают регулярные вариации, рассмотренные в предыдущей главе. При переходе к авроральным и полярным широтам начинают формироваться крупномасштабные ионосферные структуры, связанные как с действием процесса заполнения геомагнитных силовых трубок большого объема, так и с действием магнитосферной конвекции и высыпаний.

Установлено, что наиболее типичным состоянием субавроральной ионосферы будет состояние восстановления после геомагнитного возмущения. Временной масштаб процесса восстановления определяется характерным временем заполнения плазмосферной части силовой трубки А, которое

резко увеличивается с ростом геомагнитной широты Л. В результате формируется регулярный спад электронной концентрации с ростом широты в субавро-ральном слое ¥2, особенно ярко выраженный для ночных зимних условий.

Наиболее заметной крупномасштабной структурой ионосферы в области перехода от средних к полярным широтам является главный ионосферный провал (ГИП). Анализ результатов моделирования структуры ионосферного провала показал, что экваториальная стенка ГИП формируется в результате заполнения плазмосферы ионосферной плазмой, тогда как основным механизмом формирования полярной стенки ГИП является высыпание магнитосферных электронов, которое приводит к сглаживанию широтного распределения электронной концентрации над полярной шапкой. Положение ионосферной проекции плазмо-паузы зависит от уровня геомагнитной активности. В спокойных условиях она проектируется на полярную стенку ГИП, а в периоды усиления активности может находиться в области минимума провала или даже еще южнее.

Провал легких ионов (ПЛИ) является продолжением экваториальной стенки ГИП в область внешней ионосферы и нижней плазмосферы. ГИП и ПЛИ представляют собой, в сущности, одно и то же образование, которое можно просто назвать ионосферным провалом. Основные их различия определяются изменением ионного состава - от преобладания ионов 0+ к преобладанию ионов ЬГ при переходе от слоя Р2 к внешней ионосфере и в нижнюю часть плазмосферы.

Показано, что магнитосферная конвекция и высыпания энергичных электронов являются основными факторами, действие которых приводит к образованию еще одной постоянно присутствующей крупномасштабной неоднородности высокоширотной ионосферы - полярной полости (ПП). Полярная полость (полярная «дыра») представляет собой зону локального уменьшения концентрации электронов (до значений пе~ 102-103 см"3) на высотах Р2-области, которая расположена в интервале инвариантных широт А=70-80° ночного сектора и характеризуется понижением концентрации всех измеряемых ионов (0+, Ог+, N2% N0*) и низкими значениями электронной температуры. На рис. 3 приведены изолинии вертикальной проекции скорости дрейфа И^ (синие сплошные и штриховые линии с шагом 10 м/с) и распределение потока энергии высыпающихся электронов (желтый фон - Ре= 1-2 эрг-см"2-с_1, красный фон -2-10 эрг-см~2-с~') в координатах геомагнитная широта - МЬТ при А"р=1 (внешняя окружность соответствует А=50°). Видно, что на широтах А=65-85° в ночном секторе (20:00-02:00 МЬТ) вертикальная скорость \¥г~ЁхВ направлена вниз, что соответствует электрическому полю конвекции, направленному с утра на вечер (в Северном полушарии). Согласно данным измерений в области, расположенной внутри ночного аврорального овала, поле конвекции Е всегда имеет составляющую утро-вечер. Следовательно, всегда будет выполняться условие №^<0, необходимое для образования полярной полости. Таким образом, дрейф и высыпания энергичных электронов, ограничивающих со стороны экватора зону ПП, являются основными факторами, действие которых приводит к образованию полярной полости. Фотоионизация, отсутствующая зимой и

охватывающая всю полярную область летом, оказывает лишь возмущающее действие, которое проявляется в виде сезонных и иТ-вариаций. Усиление геомагнитной активности способствует образованию ПП, т. к. сопровождается увеличением направленной вниз составляющей скорости дрейфа.

В рамках разработанной модели ионосферы и плазмосферы исследована тепловая структура высокоширотной ионосферы. Установлено, что высокоширотные распределения температуры ионов содержат две зоны высоких значений 7~=1300 К, которые совпадают с областями больших скоростей конвекции, что указывает на фрикционный механизм нагрева ионов. Зимой в глобальном распределении электронной температуры имеется кольцевая зона высоких температур (7С==2()()0-3()()0 К) на геомагнитных широтах 65-80°, т. е. в авро-ральном овале. Этот нагрев обусловлен термализацией вторичных электронов, образующихся при прохождении высыпающихся электронов через термосферу.

В пятой главе представлены результаты модельного изучения процессов формирования и динамики крупномасштабных неоднородностей ионосферы средних и высоких широт, обусловленных действием умеренных и сильных геомагнитных возмущений типа магнитных бурь. Некоторые свойства поведения ионосферы в авроральных и полярных широтах при различных уровнях геомагнитной активности были рассмотрены ранее в главе 4 и касались главным образом эффектов, связанных с процессом заполнения плазмосферы.

00 МЬТ

Рис. 3. Черная линия показывает границу полярной полости (ГШ). Штрихпунктирные желтые линии показывают положение терминатора: а - в 04:00 1ЛГ зимой, Ь - в 16:00 иТ зимой, с - в 04:00 иТ летом.

В данной главе исследовано влияние задания реальных магнитосферных источников, рассчитанных по технике инверсии магнитограмм (ТИМ), на точность воспроизведения суточных вариаций электронной концентрации Р2-слоя ионосферы в авроральных и полярных широтах во время магнитных бурь. Показано, что использование ТИМ увеличивает точность результатов моделирования на -30 %.

Проведено моделирование поведения ГИП во время магнитной бури 3 апреля 2004 г. Получено, что минимум провала смещается к экватору на геомагнитные широты 45-50°. При этом зона низких значений пе расширяется по долготе, занимая сектор от 17:00 до 07:00 МЬТ. Установлено, что долготное расширение ГИП связано с переносом плазмы низких концентраций из полуночного сектора на вечернюю сторону со скоростями -700 м/с и на утреннюю сторону со скоростями -1000-1200 м/с. Действие этого механизма во время сильных геомагнитных возмущений может привести к образованию провала как в ночной, так и в дневной ионосфере безотносительно к сезонным условиям.

Исследован механизм образования положительных ионосферных возмущений, которые образуются на главной фазе магнитной бури в виде резких повышений концентрации электронов в максимуме Р2-слоя и полного электронного содержания (ПЭС) в вечерние часы. Эти возрастания электронной концентрации, получившие название «сумеречного эффекта», наблюдаются обычно в субавроральной и авроральной ионосфере.

Для изучения механизма формирования сумеречного эффекта были выполнены расчеты суточных вариаций ионосферных параметров над четырьмя пунктами с географическими широтами 40°, 50°, 60° и 70° N. расположенными в американском (70° XV) и азиатском (110° Е) долготных секторах. Такой выбор пунктов моделирования позволяет учитывать эффекты, связанные с несовпадением географического и геомагнитного полюсов. Чтобы учесть влияние момента начала магнитной бури по местному времени на реакцию ионосферы на различных широтах и долготах, были рассмотрены два сценария магнитной бури с различными началами геомагнитного возмущения (БС): первый соответствовал внезапному началу бури в 03:00 ОТ, а для второго принято 8С=15:00 ЦТ. Результаты расчетов, представленные на рис. 4, показали, что «сумеречный эффект» возникает в Восточном и Западном полушариях примерно на одинаковых геомагнитных широтах, соответствующих субавроральной зоне, при условии, что внезапное начало бури приходится на утренние часы местного времени. Образование пика ПЭС является результатом совместной перестройки структуры магнитосферной конвекции и высыпаний энергичных электронов на главной фазе бури. При этом конвекция играет основную роль, вызывая подъем Р2-слоя на 40-80 км - в область с более низкой скоростью рекомбинации.

Шестая глава посвящена изучению крупномасштабных неоднородностей ионосферы, возникающих в результате относительно быстрых, длящихся -1-3 ч, воздействий естественного характера. Были рассмотрены три вида таких воздействий: во-первых, крупномасштабные (КМ) атмосферные возмущения (гравитационные волны), распространяющиеся от аврорального овала к низким

I Т, час 1Т. час

Рис. 4. Вариации полного электронного содержания Л'г в ходе магнитиой бури по сценариям 1 и 2. Штриховые линии показывают спокойные вариациям содержания Ит- Цифры в скобках указывают географические широту и долготу станций. Стрелками показаны моменты

начала бури ЭС.

широтам во время магнитных бурь, во-вторых, резкие локальные ослабления солнечного излучения в периоды затмений и, в-третьих, быстрые усиления ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений во время солнечных вспышек.

Плазмосферные дакты (ПД) имеют форму вытянутых вдоль замкнутых силовых линий каналов, размер которых составляет до 500 км по широте и более 2500 км по долготе. Согласно наблюдениям, плотность плазмы в дактах на 1020 % выше, чем в соседних (фоновых) областях. При этом из-за сильной вытя-нутости фронта возмущения долготная протяженность ПД может быть значительно больше его широтного размера ДЛда1СГ=:50. Исследована возможность образования ПД в результате действия одного фактора - возмущения скорости меридионального ветра на высотах Р2-слоя ионосферы. Для этого решена модельная задача о возмущении плотности плазмы в среднеширотной силовой трубке (¿=3,5), в основании которой в моменты местного времени 1ЛЫ2, 17, 00 и 03 ч возникает возмущение скорости ветра, направленной к экватору, величиной У=300 м/с и длительностью Д/=2 ч. Как показали расчеты, под действием усиления меридионального ветра в перемещающемся от аврорального овала крупномасштабном атмосферном возмущении (гравитационной волне) в интервале геомагнитных широт Л=55-60° образуются плазмосферные дакты. Установлено, что образованию ПД благоприятствует повышение геомагнитной активности, с ростом которой усиливается генерация гравитационных волн, а

также малая длительность геомагнитно-спокойного периода, в течение которого происходило заполнение трубки, т. е. низкое фоновое содержание электронов в силовых трубках. При этом возмущения термосферного ветра в перемещающемся атмосферном возмущении не приводят к образованию ПД в ночное и дневное время, что косвенно подтверждается отсутствием магнитосферного КВ-сигнала в ночные и дневные часы.

Выполнено исследование реакции ионосферы над Иркутском (52° N. 104° Е) на солнечное затмение 9 марта 1997 г. На рис. 5 представлены высотно-временные вариации концентрации (верхняя панель) и температуры (средняя панель) электронов, а также потока плазмы (в 108 см~~-с-1) вдоль силовой линии (нижняя панель), рассчитанные для затменного и предшествующего дней. Штриховыми линиями показаны изменения высоты максимума Р2-слоя.

В целом локальный отклик среднеширотной ионосферы над Иркутском выразился в общем уменьшении электронной концентрации во всей области высот и в подъеме максимума Р2-слоя примерно на 20 км. Концентрация электронов на высоте максимума уменьшилась в два раза при наступлении максимальной фазы затмения. Общее поведение ионосферы во время затмения сводится к кратковременному (~1 ч) переходу к ночным условиям с направленным вниз потоком ионов из плазмосферы. При этом температура электронов уменьшается на 200-400 К, тогда как охлаждение ионов является незначительным. Широтно-долготная структура возмущения высоты Р2-слоя имеет вид волны, гребень которой располагается над зоной полной тени и перемещается вместе с ней в горизонтальном направлении.

и. часы

* 400

8 мэрга1957 г

500 6. 400

га

5 зоо

3

03 2 0 0

9 марта 1997 г

Рис. 5. Рассчитанные высотно-временные вариации концентрации (а), температуры электронов (б) и потока плазмы в вдоль силовой линии (в) над Иркутском в период затмения. Штриховая линия показывает изменения высоты максимума Р2-слоя.

По данным наблюдений на высотах внешней ионосферы во время солнечных вспышек могут возникать отрицательные возмущения электронной концентрации. Для определения механизма образования этого явления было выполнено моделирование поведения среднеширотной ионосферы под действием возмущения солнечного излучения во время вспышки. Модель спектра вспышки в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах представлена ниже в таблице.

Факторы возрастания интенсивности изл}"чения в солнечной вспышке

Интервалы, нм 0,1-0,8 0,8-2 2-4 4-6 6-10 10-105

Факторы возрастания интенсивности 1000 100 50 20 4 1,3

Анализ результатов расчетов показал, что уменьшение концентрации электронов во внешней ионосфере создается в результате выноса ионов 0+ в плазмосферу, который формируется под действием резкого увеличения скорости ионообразования и теплового расширения ионосферной плазмы. После "выключения" вспышки давление плазмы в слое F2 быстро падает до уровня, при котором разность давлений между верхней и нижней частями ионосферы уже не может поддерживать поток ионов 0+ вверх, и ионосфера релаксирует к невозмущенному состоянию.

Приведенные выше результаты указывают на различный характер реакции ионосферы в зависимости от высоты. Поэтому была исследована зависимость интегрального содержания электронов в столбе ионосферы с переменной верхней границей от увеличения интенсивности излучения в отдельных интервалах спектра солнечного излучения. С этой целью диапазон длин волн от 10 до 105 нм был разбит на 19 равных интервалов (ДХ=5 нм). Затем фактор возрастания интенсивности полагался равным 3,0 последовательно для каждого интервала, тогда как для всех остальных интервалов фактор интенсивности оставался равным 1,3.

Расчеты интегрального электронного содержания (ИЭС) как функции высоты в интервале высот от 100 до 1000 км вдоль силовой трубки были выполнены для момента максимальной фазы (ИЭСт(Л)) вспышки и для фоновой ситуации без вспышки (ИЭСй(/г)) по формулам

иэст(Ь)= ) nt~kh')dh\M3C,{h)= ) 45—\h')dh>.

/*=100км /$=100 км

Для оценки вкладов нижней и верхней частей ионосферы в интегральное содержание электронов, обусловленных солнечной вспышкой, были вычислены приращения интегрального электронного содержания dM3C=M3Cm(h)~ M3C0(h) в двух диапазонах высот - от 100 до 300 км и от 300 до 1000 км. Результаты представлены диаграммой на рис. 6, где каждый столбик показывает процентные вклады от нижней и верхней частей ионосферы в приращение ИЭС во время максимума вспышки. Вариант, когда фактор интенсивности вспышечного излучения был равен 1,3 для всего спектра от 10 до 105 нм, представлен на диаграмме последним столбцом. Как следует из диаграммы, верхняя

к /.'300-1000 км

¿ИЭС. % Я к 100-300 км

км

Рис. 6. Вклады верхней и нижней частей ионосферы в приращение ИЭС при увеличении интенсивности в отдельных спектральных интервалах в три раза.

часть ионосферы (й>300 км) дает наибольший вклад в приращение ИЭС при увеличении интенсивности вспышечного излучения в спектральных интервалах 55-65 и 85-95 нм. При одинаковом увеличении интенсивности во всех интервалах спектра в 1,3 раза (последний столбец диаграммы) нижняя часть ионосферы (й<300 км) дает вклад 83 % в приращение ИЭС и 17 % приносит верхняя ее часть. Из диаграммы также следует, что причиной уменьшения интегрального содержания электронов на высотах внешней ионосферы является отрицательное возмущение, которое образуется при возрастании интенсивности УФ-излучения вспышек в интервале спектра 15-20 нм.

В приложении А приведены выражения для использованных в модели констант химических реакций.

В приложении Б приведены использованные выражения для частот столкновений между электронами, ионами и нейтральными частицами верхней атмосферы. Также даны выражения для температурных зависимостей коэффициентов теплопроводности электронов и ионов.

В приложении В дана сводка формул для расчета скоростей обмена энергией между заряженными и нейтральными частицами тепловой плазмы при упругих и неупругих столкновениях, использованных в модели.

В приложении Г представлены таблицы зависимостей сечений фотоионизации и поглощения термосферных составляющих О, 02, N2 для интервалов и отдельных линий в спектре ультрафиолетового излучения Солнца. Там же приведены соответствующие вероятности (коэффициенты ветвления) образования ионов атомарного кислорода и молекул кислорода и азота в различных энергетических состояниях, необходимые для расчета первичных спектров фотоэлектронов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований, представленных в диссертации, решена важная научная задача в области солнечно-земной физики - формирование крупномасштабной структуры ионосферы при различных гелио- и геофизических условиях. Для решения данной задачи была сформулирована концепция формирования крупномасштабной структуры низкоэнергичной плазмы в околоземном космическом пространстве, основанная на положении о том, что теоретическое описание глобальной структуры ионосферы должно учитывать наряду с классическими процессами ионообразования, химических потерь и вертикального переноса также и взаимодействие с вышележащей плазмосферой, осуществляемое посредством заполнения и опустошения геомагнитных силовых трубок тепловой плазмой ионосферного происхождения.

Предложенный подход реализован в виде численной модели ионосферно-плазмосферного взаимодействия, позволяющей воспроизводить пространственно-временное поведение параметров тепловой плазмы и сверхтепловых электронов при различных гелиогеофизических условиях, включая магнитные бури. С помощью построенной модели был выполнен ряд исследований, которые показали, что основной круг явлений, наблюдаемых в ионосфере средних, авроральных и полярных широт, непосредственно обусловлен или косвенно отражает взаимодействие плазмосферного резервуара с нижележащей ионосферой. При решении поставленных в диссертации задач были получены следующие основные результаты.

1. Впервые разработана теория процесса диффузионного заполнения ионосферной плазмой замкнутых геомагнитных силовых трубок, опустошенных в период действия магнитной бури. На основе аналитического и численного решений показано, что характерное время заполнения силовой трубки %{Ь) и предельно возможное значение электронного содержания ЛУХ) пропорциональны объему трубки и~ЬА. В результате этого во время длительных магни-тоспокойных периодов (продолжительностью 1-2 недели) внутренняя область плазмосферы с ¿<3 приходит в состояние динамического равновесия с нижележащей ионосферой, при котором дневной приток ионов в плазмосферу равен количеству плазмы, вытекающей ночью в ионосферу. В то же время трубки большого размера (¿>3) продолжают медленно заполняться через оба своих конца со скоростью 7=108 см~2с'\ При этом электронное содержание трубок большого размера, в силу выполнения условия т(¿)»г, не зависит от Ь и равно N-¡-2]!, где 1 - текущее время заполнения трубки.

2. Построена трехмерная численная физико-математическая модель пространственно-временных вариаций параметров тепловой плазмы ионосферного происхождения на высотах от К> 140 км. В модели последовательно и согласовано учтены процессы фотоионизации, химических превращений заряженных частиц и переноса плазмы вдоль и поперек дипольных геомагнитных силовых линий, а также столкновительный обмен энергией между электронами, ионами и нейтральными частицами, теплопроводность плазмы и взаимодействие со

сверхтепловыми фотоэлектронами. В модели впервые корректно учтен процесс заполнения замкнутых геомагнитных силовых трубок, что позволило адекватно описывать крупномасштабные свойства ионосферы как в спокойных, так и геомагнитно-возмущенных условиях.

3. Установлено, что образование вечернего максимума в летнем ходе птР2 и ночного максимума электронной концентрации в зимнем Р2-слое сопряженной ионосферы происходят под действием процессов теплового сжатия ионосферной плазмы и увлечения нейтральным ветром на фоне диффузионного переноса заряженных частиц на нижележащие уровни Р-области. При этом заполнение плазмосферы происходит главным образом в дневное время через летнее основание силовой трубки, а опустошение осуществляется ночью «сбросом» плазмы в зимнюю ионосферу.

4. Установлено, что формирование утреннего и вечернего максимумов электронной температуры в неосвещенной зимней ионосфере происходит в результате притока тепла из плазмосферы, которая нагревается вследствие тер-мализации захваченных в плазмосфере фотоэлектронов, пришедших из освещенной летней ионосферы. Роль локального нагрева сопряженными фотоэлектронами в образовании максимумов температуры незначительна.

5. Впервые количественно показано, что неполное заполнение больших силовых трубок приводит к образованию резкого широтного спада концентрации ионов Н+ во внешней ионосфере и нижней плазмосфере в области значений Ь, для которых т{Ь)»г. Полученный спад [Н+] на геомагнитных широтах ¿>40° не зависит от наличия плазмопаузы и хорошо согласуется с экваториальным краем провала легких ионов (ПЛИ), наблюдаемым при магнитоспокойных условиях. По мере роста времени заполнения 1 экваториальная стенка ПЛИ смещается в сторону более высоких широт, т. е. к полюсу.

6. На основе разработанного механизма взаимодействия ионосферы и плазмосферы дана интерпретация свойств главного ионосферного провала (ГИП). Впервые показано, что экваториальная стенка ГИП формируется в результате заполнения плазмосферы ионосферной плазмой. Высыпание магнито-сферных электронов является основным механизмом формирования полярной стенки ГИП и приводит к сглаживанию широтной структуры пе{А) над полярной шапкой. Дневной ионосферный провал является следствием иТ-вариаций в зимней ионосфере. Положение ионосферной проекции плазмопаузы зависит от уровня геомагнитной активности. В спокойных условиях она проектируется на полярную стенку ГИП, а в периоды усиления активности может находиться в области минимума или даже еще южнее.

7. Установлено, что во время магнитной бури происходит долготное расширение ГИП в результате переноса плазмы низких концентраций из полуночного сектора на вечернюю сторону со скоростями - 700 м/с и на утреннюю сторону со скоростями - 1000-1200 м/с. Во время сильных геомагнитных возмущений этот процесс может привести к образованию провала как в ночной, так и в дневной ионосфере безотносительно к сезонным условиям.

8. Показано, что полярная полость (полярная «дыра») образуется в области, где вертикальная проекция скорости электромагнитного дрейфа направлена вниз и отсутствуют источники ионизации. Фотоионизация, отсутствующая зимой и охватывающая всю полярную область летом, оказывает лишь возмущающее действие, которое проявляется в виде сезонных и ЦТ-вариаций. Усиление геомагнитной активности способствует образованию полярной полости, так как сопровождается увеличением направленной вниз составляющей скорости дрейфа.

9. Предложен новый механизм образования резкого увеличения полного электронного содержания (ПЭС) в вечерней ионосфере (сумеречный эффект) за счет совместной перестройки картины магнитосферной конвекции и высыпаний энергичных электронов на главной фазе магнитной бури. При этом конвекция играет основную роль, приводя к поднятию слоя ¥2 на 40-80 км в область высот с более низкой скоростью рекомбинации. Показано, что сумеречный эффект возникает в Восточном и Западном полушариях примерно на одинаковых геомагнитных широтах, соответствующих субавроральной зоне, при условии, что внезапное начало бури приходится на утренние часы местного времени.

10. Впервые показано, что при распространении от зоны аврорального овала крупномасштабного атмосферного возмущения с усиленным меридиональным ветром в интервале геомагнитных широт А=55-60° образуются плаз-мосферные дакты (ПД), т.е. области вдоль силовых линий, плотность плазмы в которых на 10-20 % выше, чем в соседних (фоновых) областях. Образованию ПД благоприятствует повышение геомагнитной активности, с ростом которой усиливается генерация атмосферных возмущений и уменьшается фоновое электронное содержание в силовых трубках. Под действием этого механизма ПД образуются преимущественно в утреннее и вечернее время.

11. Установлено, что во внешней ионосфере во время солнечных вспышек могут образовываться отрицательные возмущения электронной концентрации. Причиной образования отрицательного возмущения пе во внешней ионосфере является интенсивный вынос ионов О* в плазмосферу, обусловленный воздействием резкого увеличения скорости ионообразования и теплового расширения ионосферной плазмы во время вспышки. Показано, что основной причиной образования отрицательного возмущения является возрастание интенсивности УФ-излучения в интервале длин волн от 15 до 20 нм. Возрастание интенсивности УФ-излучения вспышек в спектральных интервалах 55-65 и 85-95 нм приводит к заметному увеличению содержания электронов во внешней ионосфере (/¡>300 км).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи, в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов:

1. Кринбёрг, И. А. О возможной природе «горячей зоны» в плазмосфере Земли / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин, С. В. Фридман II Геомагнетизм и аэрономия. — 1980. — Т. 20, № 6. — С. 1028—1035.

2. Krinberg, I. A. The influence of the ionosphere-plasmasphere coupling upon the latitude variations of ionospheric parameters /1. A. Krinberg, A. V. Tashchilin // Ann. de Geophys. — 1980. — Vol. 36, N 4. — P. 537—548.

3. Krinberg, I. A. Refilling of geomagnetic force tubes with a thermal plasma after magnetic disturbance / I. A. Krinberg, A. V. Tashchilin // Ann. de Geophys. — 1980,— Vol. 38, N 1. —P. 25—32.

4. Индюков, A. E. Эффекты солнечных затмений во внешней ионосфере. I. Экспериментальные результаты / А. Е. Индюков, М. Д. Флигель, А. В. Тащи-лин // Геомагнетизм и аэрономия. — 1986. — Т. 26, № 4. — С. 557—562.

5. Кринберг, И. А. Образование плазмосферных дактов / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин // Геомагнетизм и аэрономия. — 1988. — Т. 28, № 1. — С. 109—113.

6. Vlasov, V. G. Collective heating and radiation dynamics of the auroral ionospheric F,-region / V. G. Vlasov, V. V. Klimenko, G. K. Matafonov, A. V. Tashchilin // L Atmos. and Terr. Phys. — 1992. — Vol. 54, N 7/8. — P. 995—1005.

7. Kalikhman, A.D. Simulation of ionosonde observations of ionospheric holes / A. D. Kalikhman, N. N. Klimov, G. K. Matafonov, A. V. Tashchilin // J. Atmos. and Terr. Phys. — 1992. — Vol. 54, N 9. — P. 1177—1183.

8. Tashchilin, A. V. UT-control effects in the latitudinal structure of the ion composition of the topside ionosphere / A. V. Tashchilin, E. B. Romanova // J. Atmos. and Terr. Phys. — 1995. — Vol. 57, N 12. — P. 1497—1502.

9. Бойтман, O.H. Среднеширотная ионосфера в период полного солнечного затмения 9 марта 1997 г. 1. Моделирование эффектов затмения / О. Н. Бойтман, А. Д. Калихман, А. В. Тащилин // Геомагнетизм и аэрономия. — 1999. — Т. 39, № 6. — С. 45—52.

10. Бойтман, О.Н. Среднеширотная ионосфера в период полного солнечного затмения 9 марта 1997 г. 2. Данные наблюдений и сравнение с результатами наблюдений / О. Н. Бойтман, А. Д. Калихман, А. В. Тащилин // Геомагнетизм и аэрономия. — 1999. — Т. 39, № 6. — С. 53—60.

11. Boitman, О. N. The midlatitude ionosphere during the total solar eclipse of March 9, 1997 / O. N. Boitman, A. D. Kalikhman, A. V. Tashchilin // J. Geophys. Res. — 1999. — Vol. 104, N A12. — P. 28197—28206.

12. Тащилин, А. В. Моделирование отклика ионосферы на геомагнитную бурю 22 марта 1979 г. / А. В. Ташилин, Е. Б. Романова // Геомагнетизм и аэрономия. — 2001. — Т. 41, № 2. — С. 211—216.

13. Тащилин, А. В. Роль электромагнитного дрейфа в формировании полярной полости / А. В. Тащилин, Е. Б. Романова // Геомагнетизм и аэрономия.

— 2001. — Т. 41, № 2. — С. 217—219.

14. Tashchilin, А. V. Model study of the midlatitude ionospheric response to strong geomagnetic storm of September 25, 1998 / A. V. Tashchilin, E. B. Romanova, B. G. Shpynev // Proceedings of SPIE. — 2001. — Vol. 4678. — P. 491—497.

15. Tashchilin, A. V. Numerical modeling the high-latitude ionosphere / A. V. Tashchilin, E. B. Romanova // Proceeding of COSPAR Colloquia Series. — 2002.

— Vol. 14. —P. 315—325.

16. Estimating the contribution from different ionospheric regions to the TEC response to the solar flares using data from the international GPS network / L. A. Leonovich, E. L. Afraimovich, E. B. Romanova, A. V. Tashchilin И Ann. Geophys.

— 2002. — Vol. 20, N 12. — P. 1935—1941.

17. Реакция ионосферы на большую магнитную бурю: наблюдения и моделирование / Г. А. Жеребцов, О. М. Пирог, Н. М. Полех, Е. Б. Романова, А. В. Ташилнн // Геомагнетизм и аэрономия. — 2005. — Т. 45, № 5. — С. 642—651.

18. Response of ionosphere to the great geomagnetic storm of September 1998: Observation and modeling / О. M. Pirog, N. M. Polekh, A. V. Tashchilin, E. B. Romanova, G. A. Zherebtsov // Adv. Space Res. — 2006. — Vol. 37, N 5.

— P. 1081—1087.

19. Modeling of ionospheric parameters variations in East Asia during the moderate geomagnetic disturbances / E. B. Romanova, О. M. Pirog, N. M. Polekh, A. V. Tashchilin, G. A. Zherebtsov, J. K. Shi, X. Wang // Adv. Space Res. — 2008. — Vol. 41, N 4. — P. 569—578.

20. Leonovich, L. A. Formation of negative disturbances in the topside ionosphere during solar flares / L. A. Leonovich, A. V. Tashchilin // Int. Journal Geo-magn. Aeronomy. — 2006. — Vol. 8, N 1. — GI1001, doi: 10.1029/2006GI000157.

21. Леонович, JI. А. Возмущения во внешней ионосфере во время солнечных вспышек / Л. А. Леонович, А. В. Тащилин // Геомагнетизм и аэрономия.

— 2008. — Т. 48, № 6. — С. 793—802.

22. The main ionospheric trough in the East Asian region: Observation and modeling data / О. M. Pirog, N. M. Polekh, E. B. Romanova, A. V. Tashchilin, G. A. Zherebtsov // J. Atmos. Terr. Phys. — 2009. — Vol. 71, N 1. — P. 49—60.

23. Леонович, Л. А. Зависимость отклика ионосферы от параметров солнечных вспышек на основе теоретического моделирования и данных GPS / Л.

A. Леонович, А. В. Тащилин, О. Ю. Портнягина П Геомагнетизм и аэрономия.

— 2010. — Т. 50, № 2. — С. 209—219.

24. Тащилин, А. В. Роль магнитосферной конвекции и высыпаний в образовании "сумеречного эффекта" на главной фазе магнитной бури / А. В. Тащилин, Е. Б. Романова // Геомагнетизм и аэрономия. — 2011. •— Т. 51, № 4. — С. 474—480.

25. Тащилин, А. В. Численное моделирование диффузии ионосферной плазмы в диполыюм геомагнитном поле при наличии поперечного дрейфа / А.

B. Тащилин, Е. Б. Романова И Математическое моделирование. — 2013. — Т. 25, №1, —С. 3—17.

Статьи в других изданиях:

26. Кринберг, И. А. Влияние размера силовой трубки геомагнитного поля на концентрацию заряженных частиц в ионосфере Земли / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин, Г. И. Гершенгорн II Физика ионосферы (Краткие сообщения): сб. науч. тр. — М.: Наука, 1976. — С. 94.

27. Кринберг, И. А. Крупномасштабная модель верхней ионосферы / И. А. Кринберг, А. В. Ташилин // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука, 1979. — Вып. 45. — С. 122—127.

28. Ташилин, А. В. Расчет фотоэлектронных потоков и скорости нагрева плазмы во внешней ионосфере / А. В. Ташилин, И. А. Кринберг // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука,

1979, —Вып. 47. — С. 131—139.

29. Ташилин, А. В. Численный метод расчета фотоэлектронных потоков в магнитосопряженных ионосферах / А. В. Тащилин // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука, 1980. —

Вып. 51. —С. 95—100.

30. Кринберг, И. А. Физико-математическая модель формирования провала во внешней ионосфере / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин // Динамические процессы и структура полярной ионосферы: сб. науч. тр. — Апатиты: Кол. фил.

АН СССР, 1980. — С. 22—30. _

31. Кринберг, И. А. Об обмене тепловой плазмой между ионосферои и плазмосферой после геомагнитного возмущения / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. Тр. _ М.: Наука, 1981, —Вып. 56. —С. 46—50.

32. Тащилин, А. В. Эффекты взаимодействия магнито-сопряженных ионосфер через плазмосферу / А. В. Ташилин // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука, 1981. — Вып. 56. — С. 50—56.

33. Кринберг, И. А. Учет взаимодействия с плазмосферой в теоретических моделях ионосферы / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин // Ионосферные исследования: сб. науч. тр. — М.: Радио и связь, 1981. — Вып. 31. — С. 49—62.

34. Кринберг, И. А. Влияние электрического поля конвекции, высыпания частиц и скорости заполнения силовых трубок на положение провала в различные фазы магнитной бури / И. А. Кринберг, С. В. Фридман, А. В. Тащилин // Крупномасштабная структура авроральной ионосферы: Тез. докл. — Якутск,

1981. —С. 21—22.

35. Тащилин, А. В. Влияние вариаций состава нейтральной атмосферы и потока солнечного УФ-излучения в цикле солнечной активности на структуру внешней ионосферы / А. В. Тащилин, И. А. Кринберг // Ионосферные исследования: сб. науч. тр. — М.. 1982. — Вып. 32. — С. 28—33.

36. Индюков, А. Е. Взаимодействие ионосферы с плазмосферой и образование экваториальной стенки провала / А. Е. Индюков, Н. Н. Климов, И. А. Кринберг, А. В. Ташилин, Г.В. Васильев, М. Д. Флигель // Физические процессы в области главного ионосферного провала: сб. науч. тр. — Прага: Ин-т геофизики ЧСАН, 1983. — С. 99—104.

37. Климов, Н. Н. Развитие теории верхней атмосферы / Н. Н. Климов, В. В. Кошелев, И. А. Кринберг, В. М. Поляков, А. В. Тащилин, Л. А. Щепкин // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука, 1986. — Вып. 76. — С. 193—213.

38. Тащилин, А. В. Механизм перестройки дневного ионосферно-плазмосферного профиля электронной температуры в цикле солнечной активности / А. В. Тащилин, Л. А. Акатова // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука, 1988. — Вып. 80. — С. 58—62.

39. Тащилин, А. В. Учет коротации в моделях высокоширотной ионосферы / А. В. Тащилин, Е. Б. Кокорина // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца: сб. науч. тр. — М.: Наука, 1989. — Вып. 88. — С. 120—125.

40. Тащилин, А. В. Среднеширотная ионосфера во время сильных геомагнитных бурь 25 сентября 1998 г. и 15 июля 2000 г. / А. В, Тащилин, Е. Б. Романова, Б. Г. Шпынев // Солнечно-земная физика: сб. науч. тр. — Новосибирск: ИСЗФ СО РАН, 2003. — Вып. 3. — С. 3—7.

41. Tashchilin, А. V. Transformation of ionospheric plasma transport equations to a conservative form / A. V. Tashchilin // Physics of Auroral Phenomena: Proc. XXVI Ann. Seminar. — Apatity. — 2003. — P. 217—219.

Монографии

Кринберг, И. А. Ионосфера и плазмосфера: монография / И. А. Кринберг, А. В. Тащилин. — М.: Наука, 1984. — 189 с.

Отпечатано в издательском отделе

ИСЗФ СО РАН Заказ № 147 от 29 января 2014 г. Объем 28 с. Тираж 180 экз

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Тащилин, Анатолий Васильевич, Иркутск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Тащилин Анатолий Васильевич

ФОРМИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРЫ В СПОКОЙНЫХ И ВОЗМУЩЕННЫХ УСЛОВИЯХ

25.00.29 — Физика атмосферы и гидросферы

О

ю та-

ем ю

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

О СЧ

о о

Иркутск-2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. Пространственная структура ионосферы и плазмосферы.

Наблюдения и теория..............................................................................................................................................................21

1.1. Горизонтальные структуры глобального масштаба..........................................................................21

1.1.1. Общая характеристика горизонтальной структуры ионосферы..........................................21

1.1.2. Главный ионосферный провал........................................................................................................................25

1.1.3. Провал в легких ионах............................................................................................................................................29

1.1.4. Высокоширотные провалы..................................................................................................................................31

1.1.5. Полярная полость........................................................................................................................................................32

1.1.6. Авроральные пики и «язык» ионизации................................................................................................34

1.2. Высотная структура ионосферы на различных широтах..............................................................36

1.2.1. Среднеширотная ионосфера..............................................................................................................................36

1.2.2. Ионосфера на субавроральных и высоких широтах......................................................................39

1.3. Ионная структура внешней ионосферы и плазмосферы................................................................43

1.4. Сведения о тепловой структуре ионосферы и плазмосферы......................................................51

1.4.1. Вариации температуры электронов и ионов в ионосфере......................................................51

1.4.2. Вариации температуры электронов и ионов в плазмосфере................................................55

1.5. Физические механизмы формирования крупномасштабной структуры

ионосферы..........................................................................................................................................................................58

1.5.1. Процессы образования тепловой плазмы............................................... 58

1.5.2. Ионосферные химические реакции...................................................... 59

1.5.3. Процессы переноса тепловой плазмы в ионосфере и плазмосфере................................60

1.5.4. Механизмы образования ионосферных слоев....................................................................................65

1.5.5. Заполнение геомагнитных силовых трубок ионосферной плазмой..............................67

1.5.6. Влияние процесса заполнения плазмосферы на формирование

широтной структуры ионосферы......................................................................................................................75

1.6. Выводы......................................................................................................................................................................................78

ГЛАВА 2. Теоретическая модель системы ионосфера-плазмосфера..........................................................79

2.1. Выбор системы координат и модели коротации..................................................................................79

2.2. Уравнения непрерывности и движения ионов вдоль силовых линий..............................82

2.3. Уравнения теплового баланса электронов и ионов............................................................................84

2.4. Уравнения непрерывности и теплового баланса в дрейфующей

системе координат...............................'........................................................................................85

2.5. Задание начальных и граничных условий для уравнений

непрерывности и теплового баланса............................................................................................................90

2.6. Расчет траекторий дрейфа плазменных трубок....................................................................................91

2.7. Потоки фотоэлектронов и скорость нагрева тепловой плазмы................................................92

2.8. Скорости горизонтального термосферного ветра................................................................................97

2.9. Выбор исходных данных к модели ионосферы и плазмосферы............................................99

2.9.1. Спектр ионизирующего излучения Солнца........................................................................................99

2.9.2. Задание параметров нейтральной атмосферы и термосферного ветра........................100

2.9.3. Эмпирические модели магнитосферных источников................................................................101

2.10. Методы решения системы модельных уравнений..........................................................................103

2.10.1. Общий алгоритм решения..............................................................................................................................103

2.10.2. Численный метод решения уравнений переноса ионов и тепла

вдоль силовых линий................................................................................................................................................106

2.10.3. Численное решение уравнений переноса фотоэлектронов в магнитосопряженных ионосферах..............................................................................................................109

2.10.4. Численный расчет скоростей термосферного ветра в Р-области

ионосферы........................................................................................................................................................................114

2.11. Выводы................................................................................................................................................................................116

ГЛАВА 3. Среднеширотная ионосфера в геомагнитно — спокойный период....................................117

3.1. Временные изменения электронной концентрации по данным

моделирования..................................................................................................................................................................117

3.1.1. Сезонные вариации......................................................................................................................................................117

3.1.2. Циклические изменения концентрации электронов в ионосфере......................................120

3.2. Качественная интерпретация динамики среднеширотной ионосферы..............................122

3.2.1. Анализ уравнения диффузии ионосферной плазмы........................................................................122

3.2.2. Дневная ионосфера......................................................................................................................................................126

3.2.3. Ночная зимняя ионосфера......................................................................................................................................132

3.2.4. Ночная ионосфера в летний и равноденственный сезоны........................................................135

3.3. Взаимодействие сопряженных областей среднеширотной ионосферы..............................136

3.4. Регулярные вариации температуры заряженных частиц в

среднеширотной ионосфере и плазмосфере..........................................................................................142

3.5. Особенности распределения температур в сопряженных областях

среднеширотной ионосферы................................................................................................................................147

3.6. Выводы........................................................................................................................................................................................149

ГЛАВА 4. Крупномасштабная структура высокоширотной ионосферы в

спокойных и умеренно возмущенных условиях................................................................................................151

4.1. Широтные вариации электронной концентрации в невозмущенной

F-обл асти ионосферы..................................................................................................................................................151

4.2. Слой F2 в субавроральной ионосфере..............................................................................................................154

4.3. Главный ионосферный провал..............................................................................................................................157

4.3.1. Образование главного ионосферного провала....................................................................................157

4.3.2. Динамика ионосферного провала во время магнитных бурь................................................162

4.4. Широтные вариации концентрации заряженных частиц во

внешней ионосфере......................................................................................................................................................164

4.5. Образование провала легких ионов..................................................................................................................167

4.6. Формирование полярной полости........................................................................................................................169

4.7. Эффекты мирового времени в высокоширотной ионосфере......................................................173

4.8. Тепловая структура высокоширотной ионосферы..............................................................................177

4.9. Выводы........................................................................................................................................................................................181

ГЛАВА 5. Реакция крупномасштабной структуры ионосферы на умеренные и

сильные магнитные бури......................................................................................................................................................184

5.1. Особенности моделирование отклика ионосферы на

геомагнитные возмущения......................................................................................................................................184

5.2. Ионосфера во время магнитной бури 22 марта 1979 г....................................................................186

5.3. Реакция ионосферы на сильную магнитную бурю 25 сентября 1998 г............................189

5.4. Реакция главного ионосферного провала на магнитную бурю

3 апреля 2004 г................................................................................................................................................................193

5.5. Образование «сумеречного эффекта» на главной фазе магнитной бури........................198

5.6. Выводы........................................................................................................................................................................................204

ГЛАВА 6. Реакция ионосферы и плазмосферы на кратковременные

естественные воздействия......................................................................................................................................................206

6.1. Плазмосферные волноводы (дакты)..................................................................................................................206

6.1.1. Структура дактов и качественный анализ условий их образования................................206

6.1.2. Образование дактов при различных геофизических условиях..............................................208

6.2. Ионосферные эффекты солнечных затмений............................................................................................211

6.2.1. Наблюдения солнечных затмений во внешней ионосфере

низких широт....................................................................................................................................................................211

6.2.2. Исследование реакции среднеширотной ионосферы на

солнечное затмение 9 марта 1997 г..............................................................................................................214

6.3. Ионосферные эффекты солнечных вспышек............................................................................................218

6.3.1. Образование отрицательных возмущений электронной

концентрации во внешней ионосфере во время солнечных вспышек............................219

6.3.2. Реакция интегрального электронного содержания на солнечные вспышки............223

6.4. Выводы........................................................................................................................................................................................227

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................229

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................233

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Константы химических реакций..............................................................................................259

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Коэффициенты переноса ионосферной плазмы........................................................260

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Скорости столкновительного обмена энергией между

заряженными и нейтральными частицами тепловой плазмы..............................................................261

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Сечения фотоионизации и поглощения основных

термосферных составляющих............................................................................................................................................263

ВВЕДЕНИЕ

По мере развития науки и техники усиливается непосредственное использование человеком околоземного космического пространства (ОКП). Этот объективный процесс стимулирует изучение ОКП, так как знание его текущего состояния и предсказание вариаций его свойств имеет важное значение для обеспечения нормального функционирования космической техники, наземной и космической радиосвязи, интерпретации и планирования научных экспериментов в космосе, для изучения антропогенного воздействия на окружающую среду и решения ряда других научных и прикладных задач.

В наиболее общем смысле околоземное космическое пространство можно определить как область межпланетного космического пространства, возмущенную присутствием Земли. Это возмущение простирается на расстояния в 10-100 раз превышающее размеры самой Земли, что объясняется наличием у нее собственного магнитного поля. Внешними (входными) факторами, определяющими состояние ОКП, являются излучение Солнца, поток частиц солнечного ветра и межпланетное магнитное поле. Следует отметить, что изучение комплекса физико-химических явлений во всей этой сложной космической системе составило содержание нового научного направления - солнечно-земной физики.

По отношению к заряженным частицам, населяющим ОКП, в нем можно выделить три основные составляющие - ионосферу, плазмосферу и магнитосферу. Под ионосферой обычно понимают сферическую оболочку Земли на высотах h ~ 50-1000 км, содержащую электроны и ионы тепловых энергий. Плазмосферой называют заполненную плазмой ионосферного происхождения область замкнутых силовых линий геомагнитного поля на высотах от 1000 км до плазмопаузы, расположенной на расстояниях от 3 до 7 радиусов Земли в зависимости от уровня геомагнитной активности. Остальную более внешнюю часть ОКП занимает магнитосфера, заселенная высокоэнергичными заряженными частицами.

Первые экспериментальные данные о наличии тепловой плазмы с концентрацией порядка 5-102 см'3 в ОКП на расстоянии нескольких радиусов Земли были получены в начале 50-х годов по радиоизмерениям свистящих атмосфериков [Storey, 1953]. Предполагалось, что на таких больших высотах плазма состоит из электронов и тепловых протонов, образовавшихся в результате реакции перезарядки ионосферных ионов 0+ с атомами водорода в геокороне и вплоть до 60-х годов прошлого века считалось, что выше максимума слоя F2 ионы 0+ и Н+ распределены по высоте согласно условию диффузионного равновесия [Mange, 1960; Angerami, Thomas, 1964]. Запуски искусственных спутников Земли с научной аппаратурой на борту, совместно с данными наземных радиофизических измерений, позволили установить, что плазмосфера имеет резко выраженную границу - плазмопаузу [Грингауз, 1963; Carpenter,

1963], которая отделяет слой плотной, холодной плазмы ионосферного происхождения от внешней части магнитосферы, заселенной в основном высокоэнергичными заряженными частицами малой концентрации. Так как плазмосферные силовые трубки двумя своими основаниями опираются на сопряженные области ионосферы в северном и южном полушариях, то роль плазмосферы оказывается двоякой: во-первых, она непосредственно взаимодействует с ионосферой, посредством обмена заряженными частицами и потоками тепла, которое выделяется в плазмосфере приходящими из ионосферы фотоэлектронами и, во-вторых, она является своеобразным каналом, связывающим магнитосопряженные ионосферы. Вне плаз-мопаузы наблюдается постоянный отток плазмы из ионосферы во внутреннюю часть и в хвост магнитосферы [Raitt, Dorling, 1976; Schunk, 2000], который на полярных широтах становится сверхзвуковым и называется полярным ветром. На основании этих первых немногочисленных экспериментальных данных примерно 40-50 лет назад начинает формироваться представление об ионосфере как плазменной среде, состояние которой существенным образом определяется связью с вышележащими областями ОКП, т.е. с плазмосферным резервуаром и внутренней магнитосферой [Hanson, Ortenburger, 1961; Hanson, Patterson, 1964; Geisler, Bowhill, 1965; Banks, 1972].

Начиная с первых теоретических работ [Hanson, Ortenburger, 1961; Hanson, Patterson, 1964; Geisler, Bowhill, 1965], основное внимание исследователей было направлено на изучение влияния течения ионов между ионосферой и плазмосферой на структуру ионосферы. Для проведения более глубоких исследований в этом направлении были разработаны теоретические модели, описывающих поведение ионов 0+ и Н+ в изолированной замкнутой силовой трубке, на основе которых проведено количественное изучение таких важных аспектов проблемы ионосферно-плазмосферной связи, как суточные вариации потоков заряженных частиц на верхней границе ионосферы (h ~ 1000 км) и поддержание ночного слоя F2 [Nagy et al., 1968; Moffett, Murphy, 1973; Park, Banks, 1974; Кринберг и др., 1974; Поляков и др., 1975; Никитин и др., 1976], заполнение силовых трубок ионосферной плазмой после магнитной бури [Banks et al., 1971; Murphy et al., 1976], возможность переноса плазмы между магнито-сопряженными ионосферами [Кол, 1969; Mayr et al., 1972; Bailey et al., 1978], формирование плазмопаузы и широтной структуры ионного состава во внешней ионосфере [Mayr et al., 1970; Marubashi, 1979; Mayr et al., 1967; Кутимская и др., 1973; Young et al, 1980].

По способу учета влияния на ионосферу выше лежащих областей околоземного пространства можно выделить два основных типа математических моделей ионосферной плазмы - модели с верхними граничными условиями и модели описывающие поведение плазмы вдоль замкнутых геомагнитных силовых линий. Основной недостаток моделей первого типа [Поляков и др., 1968; Stubbe, 1970а; Namgaladze et al., 1977; Mingalev et al., 1988; Sojka, 1989;

Колесник и др., 1993; Maurits, Watkins, 1996; Ridley et al., 2006; Ren et al., 2009] связан с необходимостью задания потоков частиц и тепла на верхней границе ионосферы. В настоящее время массив таких данных, приведенных к какой-либо одной высоте и охватывающих широкий круг геофизических условий, отсутствует.

С другой стороны, потоки заряженных частиц и тепла, которые считаются внешними параметрами по отношению к и�