Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы"

На правах рукописи

Доронина Елена Николаевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СПОКОЙНОЙ И ВОЗМУЩЕННОЙ ВЕРХНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических "

1 ь

Мурманск-2009

003474649

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Федерального агентства по рыболовству «Мурманский государственный технический университет» (ФГОУВПО «МГТУ», г. Мурманск)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор НАМГАЛАДЗЕ Александр Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор ДЁМИНОВ Марат Гарунович

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ, г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 29 сентября 2009 г. в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 при Учреждении Российской академии наук институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН по адресу: 142190 г. Троицк, Московская обл., ИЗМИР АН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АН Автореферат разослан "¿Я^ " июля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.237.01

кандидат физико-математических наук КУЛИКОВ Юрий Николаевич

доктор физ.-мат. наук

Михайлов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию физических процессов, протекающих в спокойной и магнитно-возмущенной термосфере Земли, методом математического моделирования с использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (термосферы, ионосферы и внутренней магнитосферы Земли как единой системы), и эмпирических моделей состава, теплового режима и горизонтальной циркуляции термосферы Земли.

Актуальность проблемы. Изучение процессов в термосфере Земли имеет большое практическое значение. В последние годы все большее количество спутников выводится на околоземную орбиту. Это и метеорологические, и военные, и научные спутники, а также, спутники глобальных коммуникационных систем и радионавигации. Как известно, любые изменения плотности и температуры нейтрального газа, а так же скорости и направления ветра, которые связаны с вариациями геомагнитной и солнечной активности определяют торможение и время жизни искусственных спутников Земли.

Нейтральная атмосфера, в частности фотоионизация нейтральных компонент солнечным ионизирующим излучением, является причиной существования ионосферы, то любые изменения, происходящие в ее химическом составе, тепловом или ветровом режиме, оказывают влияние на ионный состав и концентрацию электронов в ионосфере, и через это - на условия радиосвязи и радионавигации. В свою очередь, ионосфера передает нейтральному газу энергию солнечного ионизирующего излучения по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и энергию солнечного ветра через нагрев токами и дрейфами плазмы, изменяя тепловой режим термосферы и термосферную циркуляцию.

Одним из методов исследования атмосферы является математическое моделирование. С развитием компьютерной техники наиболее актуальным стало развитие глобальных самосогласованных численных моделей, в которых теми или иными численными методами решаются уравнения динамики атмосферы. Теоретические модели позволяют проводить численные эксперименты с учетом, или, наоборот, с исключением из модели различных физических процессов, что позволяет оценивать влияние этих процессов на те или иные атмосферные параметры и интерпретировать экспериментальные данные. Соответственно, для повышения адекватности теоретических моделей, необходимо проводить сопоставление результатов модельных расчетов с результатами наблюдений и данными эмпирических моделей.

оь ,

"П з

Цель диссертационной работы - провести исследование и дать физическую интерпретацию выявленных в последние годы с помощью радарных и спутниковых наблюдений особенностей поведения термосферы Земли, связанных с термосферно-ионосферным взаимодействием, как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях с помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), сопоставить полученные результаты с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended), или сокращенно MSIS и термосферного ветра HWM93 (Horizontal Wind Model) и экспериментальными данными, и выяснить какие модели наиболее адекватно воспроизводят реальные геофизические условия.

Для достижения цели были поставлены задачи:

1. На основе численных экспериментов с помощью модели UAM определить чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных и граничных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования.

2. Провести сопоставление основных термосферных параметров, рассчитанных по модели UAM с данными современных эмпирических моделей температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для периодов конкретных геомагнитных бурь.

3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM определить как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы.

4. С помощью модели UAM определить относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы на высоте ~ 400 км.

5. Выявить механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне.

Для изучения влияния геомагнитно-спокойных и возмущенных условий на динамику термосферы был выбран апрель 2002 года. В этот период произошли сильные магнитные бури, которые были предсказаны заранее из наблюдений за активностью Солнца, и для наблюдения за ними была организована целая международная кампания.

В этот же период времени (2002 год) акселерометром спутника СНАМР проводились измерения плотности нейтрального газа на высотах около 400 км. Измерения выявили ранее неизвестную особенность в глобальном распределении плотности - на дневной стороне в приэкваториальной области был обнаружен ее минимум. Эта и другие особенности поведения термосферы в указанный период времени и явились предметом исследования диссертационной работы.

Метод исследования. Исследование поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли иАМ, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. В модели иАМ решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а так же уравнение для потенциала электрического поля. В модели реализована возможность подключения в виде отдельных модулей эмпирических моделей теплового режима и состава термосферы Ы11ЬМ818Е-00 и скорости горизонтального термосферного ветра Н\ММ93, что позволяет не только рассчитывать основные термосферные параметры путем решения уравнений, но и получать напрямую из эмпирических моделей.

Научная новизна проведенных исследований определяется как использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (иАМ) в качестве инструмента исследований глобальной динамики термосферы в комплексе с эмпирическими моделями термосферы и экспериментальными данными о параметрах термосферы, так и результатами, полученными впервые:

1. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели иАМ выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы, как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней термосферы (-400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.

2. На основе численных экспериментов с помощью модели 11АМ впервые определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения тбрмо-

сферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы. 3. Впервые предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что они могут быть использованы как для интерпретации данных наблюдений, так и для совершенствования эмпирических моделей верхней атмосферы как параметров, необходимых для вычисления торможения искусственных спутников Земли и других космических аппаратов. Последнее в значительной степени относится к результатам сопоставления модели иАМ с моделью МКЬМБКЕ-ОО.

Достоверность полученных результатов обусловлена физической обоснованностью известных исходных уравнений и принципов, на которых базируется глобальная численная модель верхней атмосферы иАМ, согласием результатов расчетов как с данными измерений параметров термосферы, так и с эмпирическими моделями атмосферы, как обобщением экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

1. Выявленная степень точности глобальной теоретической модели верхней атмосферы Земли иАМ по параметрам верхней термосферы. Установлено, в частности, что погрешности модели иАМ сопоставимы с погрешностями современных эмпирических моделей как для спокойных периодов, так и для периодов геомагнитных бурь. При этом иАМ, в отличие от модели МЗК, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц. Термосферная циркуляция по 11АМ, в отличие от модели Н\УМ, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.

2. Установленный относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы; оценена относительная роль основных процессов в глобальной перестройке термосферы в период конкретных геомагнитных бурь.

3. Выявленный механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Личный вклад автора. Автором с помощью модели UAM выполнены модельные расчеты и численные эксперименты по изучению поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях. По результатам расчетов построены карты глобального распределения и временные вариации основных термосферных параметров, проведен анализ и дана физическая интерпретация полученных результатов. Автор принимала участие в обсуждении, подготовке и написании тезисов, статей и докладов по теме диссертации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2002, 2003); Международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); XXV-XXXI семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты 2002 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009); European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria,

2006); 4th, 5th, 6lh и 7th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008); IUGG XXIV General Assembly (Perugia, Italy,

2007).

По теме диссертации опубликована 31 работа, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 12 работ в трудах научных конференций и 16 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения. Работа содержит 123 страницы текста, в том числе 25 рисунков и 18 страниц библиографии, содержащих 213 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана характеристика работы, обоснована актуальность проблемы исследования, сформулированы цель и предмет исследования, кратко изложены полученные результаты, их научная новизна и практическая значимость.

Глава I. Термосфера и методы ее исследования

В главе I рассмотрены основные методы исследования термосферы Земли. Раскрыта практическая значимость исследования процессов, протекающих в термосфере. Дана общая характеристика методов исследования тсрмосферы. Описаны: экспериментальные исследования, которые включают в себя непосредственные измерения термосферных параметров с помощью ракет, спутников и радарных установок, их обработку; построенные на базе аппроксимации результатов измерений эмпирические модели, представленные в виде таблиц и формул; теоретические исследования, включающие в себя как построение физических теорий, так и создание на их базе математических моделей верхней атмосферы Земли, основанных преимущественно на численном интегрировании физических уравнений. Проанализированы преимущества и недостатки каждого метода.

Кратко описана теория приливов и влияние приливных движений атмосферы на процессы в верхней атмосфере Земли. В настоящее время для изучения приливных вариаций применяются современные модели верхней атмосферы Земли, учитывающие нелинейные эффекты.

Глава II. Модель верхней атмосферы Земли (UAM)

В главе II описана глобальная численная модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), которая была разработана в Калининградской обсерватории ИЗМИР АН, ныне Западное Отделение ИЗМИР АН, и модифицирована в Полярном Геофизическом институте (г. Мурманск) и Мурманском государственном техническом университете - повышено пространственное разрешение в высоких широтах и внесен ряд других изменений.

В модели термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. Модель является глобальной и охватывает диапазон высот от мезосферы (~60-90 км, положение нижней границы может

меняться) до геоцентрического расстояния в 15 радиусов Земли (Иг). В ней учитывается несовпадение геомагнитных и географических полюсов. В модели решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц.

Модель состоит из 4 основных блоков:

1. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы, в котором рассчитываются температура нейтральной атмосферы, массовая плотность и состав нейтрального газа, ветры, а также температуры молекулярных ионов и электронов, концентрация молекулярных ионов и их скорости на высотах от 60-80 (высота нижней границы зависит от условий поставленной задачи) до 520 км. Нижние граничные условия выбираются исходя из постановки задачи. Через верхнюю границу отсутствуют потоки тепла и импульса. Для компонент основных газовых составляющих задается диффузионное равновесие, с учетом изотермич-ности.

2. Блок области ¥2 ионосферы и внешней ионосферы, в котором вычисляются концентрации замагниченных атомарных ионов 0+ и Н+, их скорости и температуры, а также температура электронов на высотах от 175 км до геоцентрического расстояния 15 Яе. Граничные условия задаются около оснований линий поля в Северном и Южном полушариях на высоте 175 км. Концентрацию атомарных ионов на границе получают из условия фотохимического равновесия. Предполагается, что линии геомагнитного поля с Ь > 15 (Ь - параметр Мак-Илвейна) разомкнуты и концентрации ионов и потоки тепла равны нулю на геоцентрическом расстоянии 15 ЯЕ.

3. Блок электрического поля, в котором рассчитывается потенциал электрического поля магнитосферного и термосферного (динамо поле) источников при условии, что силовые линии геомагнитного поля эквипотенциальны на высотах выше 175 км. Ионосферные проводимости, необходимые для решения уравнения для потенциала рассчитываются по стандартным формулам с использованием значений ионосферных и термосферных параметров из первых двух блоков модели.

4. Магнитосферный блок, в котором рассчитываются концентрация ионов магнитосферного плазменного слоя, их скорость, давление и продольные токи зоны 2. В магнитосферном блоке решаются уравнения для магнитосферного плазменного слоя. Магнитосферные электроны считаются холодными и их давление пренебрежимо малым по сравнению с давлением магнитосферных ионов.

Вместо указанных блоков, в модель могут подключаться в виде отдельных модулей эмпирические модели или параметры, рассчитываемые в этих блоках, могут задаваться в виде входных параметров.

Обмен информацией между блоками осуществляется на каждом временном шаге численного решения уравнений модели.

Начальные условия необходимо выбирать достаточно близко к предполагаемому решению исходя из поставленной задачи.

Входные параметры модели: дата, мировое время начала события, общее время события, шаги по времени в шаре и трубке; параметры солнечной активности (Fl0.7), планетарные индексы геомагнитной активности (ЛР, КР, Dst), ав-рорапьные индексы геомагнитной активности (АЕ, AL, AU); потоки солнечного УФ и КУФ излучения; потоки высыпающихся из магнитосферы энергичных частиц; продольные токи, связывающие ионосферу с магнитосферой; распределение потенциала электрического поля на границе полярной шапки.

В модели UAM уравнения решаются численными методами конечных разностей. В блоке нейтральной атмосферы и нижней термосферы уравнения решаются в сферической геомагнитной системе координат, а в блоке Р2-области ионосферы и внешней ионосферы - в магнитной дипольной системе координат. Имеется возможность задавать неравномерные шаги интегрирования по широте и высоте и произвольные постоянные шаги сетки по долготе.

Глава III. Модельные расчеты вариаций термосферных параметров во время геомагнитных бурь 15-20 апреля 2002 года

В главе III представлены описание и анализ численных экспериментов по исследованию термосферных эффектов геомагнитных бурь, произошедших в апреле 2002 года.

Определены цели, задачи и метод исследования, описанного в данной главе. Была поставлена задача - исследовать поведение основных термосферных параметров во время геомагнитных бурь, произошедших в период с 17 по 20 апреля 2002 года, и сопоставить между собой результаты расчетов этих параметров по теоретической модели UAM и по эмпирическим моделям NRLMSISE-00 (далее MSIS) и HWM93 (далее HWM). Для изучения процессов в термосфере в этот период использовался метод математического моделирования. Был проведен ряд численных экспериментов, когда параметры нейтральной атмосферы рассчитывались двумя способами: решением уравнений непрерывности и тепло-

вого баланса (модель иАМ) и по эмпирической модели М818. В качестве входных параметров использовались индексы солнечной (Рюл) и магнитной (АР, КР) активности, по данным спутников БМБР задавались значения разности потенциалов через полярную шапку, положение границ овала высыпаний и потоки и энергии высыпающихся частиц.

Расчеты показали, что в спокойных условиях абсолютные значения температуры нейтрального газа, рассчитанные по модели иАМ и по модели МБ18, близки, но различаются по характеристикам суточных и широтных вариаций. В расчетах по МБК максимум Т„ находится на дневной стороне в приэкваториальной области. В расчетах по иАМ максимум Т„ находится в дневной высокоширотной области в Северном полушарии, а в низких широтах Южного полушария имеет место минимум температуры, отсутствующий во МвК.

Во время геомагнитных бурь происходит глобальное увеличение температуры нейтрального газа с максимумами Т„ в высоких широтах, где почти отсутствует суточная вариация температуры. И во М818, и в иАМ Т„ выше в Северном полушарии, где находится подсолнечная точка, чем в Южном. Буревой эффект, который заключается в увеличении температуры нейтрального газа по всему глобусу, в вариантах расчетов по иАМ сильнее, чем по МБК. Выявлено наличие суточных вариаций возмущений Т„ (с абсолютными значениями возмущений, большими в ночные часы) в верхней термосфере наиболее заметных на средних широтах. Эти вариации представляют собой приливные волны, которые являются следствием усиления геомагнитной активности и генерируются высокоширотными источниками. В вариантах расчетов по иАМ прослеживаются неоднородности возмущений с периодами внутренних гравитационных волн.

Глобальные распределения концентрации О во всех вариантах расчетов отличаются от соответствующих распределений температуры нейтрального газа для той же высоты из-за отклонений атомарного кислорода от диффузионного равновесия в нижней термосфере.

В спокойных условиях области повышенного содержания атомарного кислорода во всех вариантах расчетов расположены на дневной стороне в низких и средних широтах. Но в варианте по МБК максимум концентрации находится вблизи экватора, а по иАМ в приэкваториальной области на дневной стороне наблюдается минимум концентрации О и два максимума по обе стороны от него. В варианте по МБШ п(О) выше, чем в вариантах по иАМ.

С усилением магнитной активности п(О) в средних широтах практически не уменьшается, а низкие широты обогащаются атомарным кислородом. В рас-

четах по 11АМ п(О) выше в Южном полушарии, а по М818 оба полушария практически симметричны относительно экватора, таким образом, сезонный эффект лучше заметен в расчетах по иАМ. В целом концентрация атомарного кислорода больше в варианте расчетов по М818, чем по 11АМ, а формы изолиний становятся похожими по мере приближения второй бури.

Молекулярный азот хорошо подчиняется барометрическому закону, что подтверждается сходством карт глобального распределения п^) с картами распределения температуры нейтрального газа на этой же высоте и в расчетах по иАМ, и по МБ«.

В глобальном распределении п(Н2) в вариантах расчетов по иАМ в спокойных условиях, как и в температуре нейтрального газа, и концентрации атомарного кислорода, на дневной стороне в низких широтах имеет место минимум концентрации. В варианте М818 аналогичный минимум появляется только в период возмущений и смещен в средние широты Южного полушария.

С усилением геомагнитной активности во всех вариантах расчетов карты глобального распределения молекулярного азота становятся схожими между собой по форме изолиний.

Отношения п(0)/п(№£ в спокойных условиях в высоких и средних широтах Северного полушария и по иАМ, и по М818 примерно одинаковы, а в низких широтах Северного и во всем Южном полушарии оно выше в расчетах по иАМ, чем по МБ18. С усилением геомагнитной активности отношение концентраций начинает уменьшаться во всех вариантах расчетов, но в расчетах по иАМ в высоких и средних широтах Северного полушария п(0)/п(Ы2) достигает более низких значений, чем в расчетах по М818.

Глобальные распределения вектора горизонтальной скорости термо-сферного ветра в расчетах по иАМ и М818 выявляют в высоких широтах в возмущенных условиях два вихря, отражающие вихревую структуру магнито-сферной конвекции и подтверждающие факт ион-нейтрального взаимодействия. В расчетах по HWM есть только один вихрь, что не соответствует действительной физической картине распределения скорости горизонтального термосферно-го ветра. За весь моделируемый период времени скорость горизонтального тер-мосферного ветра в целом выше в вариантах расчетов по моделям 11АМ и М818 и лучше согласуется с наблюдениями, чем в Н\УМ. Модель HWM в возмущенных условиях показывает меньшую зависимость скорости термосферного ветра от геомагнитной активности, чем варианты иАМ и МБ18. Во всех вариантах

расчетов в глобальном распределении вектора скорости термосферного ветра прослеживается UT-эффект.

Глава IV. Исследование механизмов формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности нейтрального газа

В главе IV представлен анализ численных экспериментов по исследованию физических механизмов формирования минимумов температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне.

Согласно экспериментальным данным, полученным из измерений плотности нейтральной атмосферы акселерометром спутника CHAMP, в её глобальном распределении на дневной стороне по обе стороны от геомагнитного экватора на высоте около 400 км обнаружены максимумы. В период с 15-24 апреля 2002 года, в течение которого происходили две сильные магнитные бури, в широтном интервале ±87° около 0430 и 1530 MLT в плотности нейтрального газа были обнаружены волноподобные структуры с длинами волн 100-1000 км. По данным спутников АЕ-Е и DE 2 в глобальных распределениях температуры нейтрального газа и скорости нейтрального ветра на дневной стороне на экваторе наблюдаются минимумы с максимумами по обе стороны от него. Это явление было названо экваториальной температурной и ветровой аномалией. Авторы, проводившие анализ результатов измерений, отмечают, что широтное распределение плотности нейтрального газа и конфигурация экваториальной температурной аномалии похожи на экваториальную ионную аномалию, что, по их мнению, говорит о сильном влиянии ионосферно-термосферного взаимодействия.

Обнаруженные спутником CHAMP приэкваториальные дневные минимумы плотности нейтрального газа имеют место в расчетах по модели UAM (в полностью самосогласованном варианте) и в спокойных, и в возмущенных условиях, но отсутствуют в расчетах по MSIS (рис. 1). В распределении температуры нейтрального газа в варианте UAM присутствуют аналогичные минимумы и в спокойных, и в возмущенных условиях, а в варианте MSIS появляются только в период возмущений.

Была поставлена задача - определить, какую роль в формировании структуры с минимумом температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне вблизи экватора играют электрические поля, высыпающиеся из магнитосферы энергичные частицы, ионное трение, а так же другие источники нагрева и охлаждения нейтрального газа.

Рис. 1. Широтные вариации плотности нейтрального газа на высоте h = 400 км Для решения поставленной задачи с помощью модели UAM был проведен ряд численных экспериментов. Результаты экспериментов позволили сделать выводы, которые просуммированы в заключительной части главы и состоят в следующем:

1. Установлено, что результаты расчетов по теоретической модели UAM находятся в лучшем согласии с экспериментальными данными, полученными из измерений спутника CHAMP, осредненными за 2002 год, чем результаты расчетов по эмпирической модели MSIS. А именно, в распределении плотности нейтрального газа на высоте 400 км, полученном из результатов расчетов по MSIS, в приэкваторильной области на дневной стороне наблюдается максимум, в то время как, и в экспериментальных данных, и в результатах расчетов по UAM - минимум плотности нейтрального газа.

2. Имеют место волнообразные структуры с периодом порядка суток. Наличие этих крупномасштабных волн не связано с геомагнитной активностью. От ее уровня зависят только амплитудные значения температуры и плотности нейтрального газа.

3. Установлено, что минимумы температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне не связаны с экваториальной аномалией, так как картины

распределения после отключения поля на широтах ниже 30° принципиально не изменились. Глобальное отключение электрического поля и высыпающихся из магнитосферы энергичных частиц привело только к уменьшению абсолютных значений температуры и плотности, но не повлияло на характер их распределения. Следовательно, экваториальные минимумы не связаны и с высокоширотными (магнитосферными) источниками энергии и импульса - с электрическими полями и высыпающимися из магнитосферы энергичными частицами.

4. Формирующую роль в образовании приэкваториальных минимумов температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне играют солнечное ионизирующее излучение (наиболее эффективно поглощаемое в термосфере на высотах выше 150-170км) которое по цепочке фотоны - фотоэлектроны -тепловые электроны - ионы нагревает нейтральный газ, и суточное вращение Земли, генерирующие приливную структуру с упомянутым минимумом.

5. Остальные источники нагрева (солнечное диссоциирующее излучение, токи и дрейфы плазмы и тепло химических реакций) и охлаждения (инфракрасное излучение молекул С02, N0 и атомов О) нейтрального газа влияют только на абсолютные значения температуры и плотности.

6. Изменение пространственного разрешения (шагов сетки по долготе и широте) и шагов по времени, а так же начальных и нижних граничных условий может оказывать влияние на абсолютные значения термосферных параметров, но не влияет существенно на широтную структуру и периодический характер вариаций температуры и плотности нейтрального газа на высотах 400410 км.

Результаты основных этапов работы суммированы в выводах к соответствующим главам, поэтому в заключении приведены только наиболее важные из них.

Основные результаты работы:

1. На основе численных экспериментов с помощью глобальной модели верхней атмосферы Земли иАМ определена чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования, что позволило выделить наиболее устойчивые закономерности этой динамики, включая асимметрию день-ночь в амплитуде изменения параметров термосферы при переходе от спокойных условий к периодам гео-

магнитных бурь, существование двухвихревой структуры термосферных ветров в высоких широтах и экваториального минимума в плотности верхней термосферы.

2. На основе сравнения численной модели верхней атмосферы иАМ с современными эмпирическими моделями температуры, плотности, состава нейтральных частиц (МБГБ) и скорости термосферного ветра (Н\УМ) и данными измерений как для спокойных условий, так и для конкретных геомагнитных бурь показано, что в целом погрешности модели иАМ сопоставимы с погрешностями эмпирических моделей. При этом модель 11АМ, в отличие от модели М818, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц в верхней термосфере. Термосферная циркуляция по модели иАМ, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.

3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели иАМ выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней термосферы (-400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.

4. На основе численных экспериментов с помощью модели 11АМ определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы.

5. Предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Таким образом, в результате проделанной работы были решены поставленные задачи изучения глобальной структуры и динамики термосферы Земли в спокойных и возмущенных условиях методами математического моделирования, выделения на этой основе новых свойств термосферы и интерпретации этих свойств.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Доронина Е.Н., Намгаладзе А.А. Вариации широтно-долготных распределений термосферных параметров во время геомагнитных бурь 17-20 апреля 2002 года//ВестникМГТУ, т.8, №1, с. 120-131,2005.

2. Доронина Е.Н., Намгаладзе А.А., Гончаренко Л.П. Вариации термосферных параметров над станциями некогерентного рассеяния во время геомагнитных бурь 17-20 апреля 2002 года// Вестник МГТУ, т.8, №1, с.132-143, 2005.

3. Namgaladze А.А., Zubova Yu.V., Namgaladze A.N., Martynenko O.V., Doronina E.N., Goncharenko L.P., Van Eyken A., Howells V., Thayer J.P., Taran V.I., Shpynev В., Zhou Q. Modelling of the ionosphere/thermosphere behaviour during the April 2002 magnetic storms: A comparison of the UAM results with the ISR and NRLMSISE-00 data // Adv. in Space Research, V. 37, Is. 2, 380-391,2006.

4. Намгаладзе A.A., Намгаладзе A.H., Доронина E.H., Зубова Ю.В. Численное моделирование поведения горизонтальных термосферных ветров в Е-области ионосферы во время сильной геомагнитной бури 31 марта 2001 г. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Наука и образование-2002", МГТУ, Мурманск, с.513-514,2002.

5. Namgaladze А.А., Namgaladze A.N., Doronina E.N., Zubova Yu.V. Numerical modeling of the lower thermosphere and ionosphere behavior during the March 31, 2001 magnetic storm // Proceedings of the 4th International Conference "Problems of Geocosmos", Saint-Petersburg, p.172-175, 2002.

6. Namgaladze A.A., Namgaladze A.N., Martynenko O.V., Doronina E.N., Knyazeva M.A., Zubova Yu.V. Numerical modeling of the thermosphere, ionosphere and plasmasphere behaviour during the April 2002 magnetic storms // Proceedings of the 26th Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, Preprint PGI, pp.74-78, 2003.

7. Намгаладзе A.A., Мартыненко O.B., Зубова Ю.В., Доронина Е.Н., Князева М.А., Намгаладзе А.Н. Математическое моделирование эффектов геомагнитных бурь 17-20 апреля 2002 года в верхней атмосфере Земли // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Наука и образование-2003", часть V, МГТУ, Мурманск, с.74,2003.

8. Доронина Е.Н., Намгаладзе А.А. Математическое моделирование вариаций температуры и газового состава термосферы в период 15-20 апреля 2002 года // Материалы Международной научно-технической конференции "Наука и образование-2004", ч.5, МГТУ, Мурманск, с.25-28,2004.

9. Доронина E.H., Намгаладзе A.A. Исследование возмущений температуры термосферы во время магнитных бурь 17-20 апреля 2002 года методом математического моделирования // Материалы Международной научно-технической конференции "Наука и образование-2005", МГТУ, Мурманск, часть 5, с.51-54,2005.

10. Namgaladze A.A., Doronina E.N., Förster М. The role of electric fields and mag-netospheric electron precipitations for the formation of the equatorial total mass density minimum // Proceedings of the 29th Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, pp. 238-240,2006.

11. Doronina E.N., Namgaladze A.A., Förster M. A Model Interpretation of the CHAMP Neutral Mass Density Measurements // Proceedings of the 6lh International Conference "Problems of Geocosmos", St. Petersburg, pp. 58-61,2006.

12. Доронина E.H., Намгаладзе A.A., Фёрстер M. Исследование экваториального минимума плотности термосферы методом математического моделирования // Наука и образование - 2006 [Электронный ресурс]: материалы межд. науч.-техн. конф., Мурманск: МГТУ, с. 346-349, 2006. [НТЦ «Информрегистр» № 0320501517, св. 7081 от 28.11.05г.].

13. Зубова Ю.В., Доронина E.H., Намгаладзе A.A., Гончаренко Л.П. Влияние термосферных ветров на поведение Р2-слоя ионосферы в период магнитных бурь апреля 2002 года // Наука и образование - 2007 [Электронный ресурс]: материалы межд. науч.-техн. конф., Мурманск: МГТУ, с. 338-345,2007. [НТЦ «Информрегистр» № 0320700491 от 05.03.07г.].

14. Доронина E.H., Намгаладзе A.A. Исследование влияния различных механизмов нагрева и охлаждения на экваториальные минимумы температуры и плотности нейтрального газа в термосфере Земли // Наука и образование -2008 [Электронный ресурс]: материалы межд. науч.-техн. конф., Мурманск: МГТУ, с. 214-217,2008. [НТЦ «Информрегистр» №0320800238 от 21.01.08г.].

15. Doronina E.N., Namgaladze A.A. The influence of neutral gas heating and cooling on the day-time equatorial neutral density minimum formation // Proceedings of the 7th International Conference "Problems of Geocosmos", SPbSU, St. Petersburg, p. 70-74,2008.

16. Доронина E.H., Намгаладзе A.A. Роль термосферно-ионосферного взаимодействия в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности нейтрального газа // Наука и образование - 2009 [Электронный ресурс]: материалы межд. науч.-техн. конф., Мурманск: МГТУ, с. 218-221, 2009. [НТЦ "Информрегистр" № 0320900170].

Подписано в печать 03.07.2009. Формат 60xS4/16. Печ. л. 0,5. Заказ 3204. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета Типография ООО «ТРОВАНТ». ЛР № 071961 от 01.09.99. 142191, г. Троицк Московской обл.» м-н «В», д.52. Тел. (495) 775-43-35, (4967) 51-09-67,50-21-81

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Доронина, Елена Николаевна

Введение.

Глава I. Термосфера и методы ее исследования.

1.1 Введение.

1.2 Экспериментальные исследования.

1.3 Приливы.

1.4 Эмпирические модели.

1.5 Теоретические модели.

Глава II. Модель верхней атмосферы Земли (UAM).

2.1 Введение.

2.2. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы.

2.2.1. Субблок нейтральной атмосферы.

2.2.2. Уравнения непрерывности для компонент нейтрального газа.

2.2.3. Уравнение движения.

2.2.4. Уравнение теплового баланса.

2.2.5. Начальные условия.

2.2.6. Граничные условия.

2.2.7. Субблок нижней ионосферы (ионосферные области D, Е и F1).

2.3. Блок F2 области ионосферы и внешней ионосферы.

2.4. Блок расчета электрического поля и магнитосферный блок.

2.5. Входные параметры.

2.6. Метод решения и шаги интегрирования.

Глава III. Вариации термосферных параметров в период геомагнитных бурь апреля 2002 года.

3.1. Введение.

3.2. Температура нейтрального газа.

3.3. Нейтральный состав.

3.3.1. Концентрация атомарного кислорода.

3.3.2. Концентрация молекулярного азота.

3.3.3. Отношение концентраций R=n(0)/n(Nz).

3.4. Термосферный ветер.

3.5. Выводы.

Глава IV. Проблема экваториального минимума плотности нейтрального газа.

4.1. Введение.

4.2. Температура и плотность нейтрального газа в модельных расчетах.

4.3. Влияние магнитосферных источников энергии и импульса на характер распределения температуры и плотности нейтрального газа.

4.4. Влияние других механизмов нагрева и охлаждения на распределение температуры и плотности нейтрального газа в модельных расчетах.

4.4.1. Нагрев нейтрального газа.

4.4.2. Охлаждение нейтрального газа за счет излучения.

4.5. Влияние начальных и граничных условий.

4.6. Сеточные эффекты.

4.7. Где же находится минимум?.

4.8. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы"

Диссертация посвящена исследованию физических процессов, протекающих в спокойной и магнитно-возмущенной термосфере Земли, методом математического моделирования с использованием теоретической самосогласованной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), рассматривающей термосферу, ионосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему, и эмпирических моделей, описывающих состав и тепловой режим термосферы Земли NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended) или сокращенно MSIS, а также термосферную горизонтальную циркуляцию HWM93 (Horizontal Wind Model).

Актуальность проблемы. Важность изучения процессов в термосфере Земли связана с тем, что изменения плотности нейтральной атмосферы определяют торможение и время жизни искусственных спутников Земли. Нейтральная атмосфера является причиной существования ионосферы, поэтому любые изменения, происходящие в ее химическом составе, тепловом или ветровом режиме, оказывают влияние на ионный состав и концентрацию электронов в ионосфере, и через это - на условия радиосвязи и радионавигации. В свою очередь, ионосфера передает нейтральному газу энергию солнечного ионизирующего излучения по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и энергию солнечного ветра через нагрев токами и дрейфами плазмы, изменяя тепловой режим термосферы и термосферную циркуляцию.

Одним из методов исследования атмосферы является математическое моделирование, которое представляет собой количественное описание пространственных и временных вариаций атмосферных параметров. Такое описание может быть представлено двумя способами. Во-первых, в виде таблиц и графиков, полученных путем усреднения данных наблюдений, их систематизации и аппроксимации с помощью аналитических формул. Объединенные вместе таблицы, графики и аппроксимирующие формулы представляют собой так называемые эмпирические модели.

Во-вторых, в виде системы уравнений динамики атмосферы, которые решаются теми или иными численными методами. Такая совокупность математических уравнений, описывающих действующие в среде физические законы, начальных и граничных условий, численных методов, алгоритмов решения и программ численной и компьютерной реализаций алгоритмов, называется теоретической, численной или математической моделью.

Эмпирические модели, основанные на осреднении данных наблюдений, сглаживают изменения в составе, температурном и ветровом режиме, особенно в возмущенных условиях. Это обусловлено тем, что экспериментальных данных о вариациях параметров термосферы недостаточно из-за отсутствия регулярных наблюдений на разных широтах, высотах, в разное время суток в силу ограниченности траекторий спутников и наземных пунктов наблюдений, и пробелы в данных наблюдений заполняются путем интерполяции и экстраполяции.

В теоретических самосогласованных моделях для получения адекватных результатов должны быть учтены фотохимия, динамика и энергетика как нейтральных, так и заряженных частиц, взаимодействие между ними и взаимосвязь различных областей околоземного пространства. Теоретические модели позволяют проводить численные эксперименты с учетом или, наоборот, с исключением из модели различных физических процессов, что позволяет оценивать влияние этих процессов на те или иные атмосферные параметры и интерпретировать экспериментальные данные.

Следует отметить, что эмпирические и теоретические модели должны использоваться в комплексе. В частности, эмпирические модели можно применять для создания начальных и граничных условий для теоретических моделей, а так же для сравнения результатов, полученных с помощью теоретических и эмпирических моделей между собой и с экспериментом. Такое сравнение позволяет корректировать модели и повышать их адекватность в описании реальной атмосферы.

Цель диссертационной работы - провести исследование и дать физическую интерпретацию выявленных в последние годы с помощью радарных и спутниковых наблюдений особенностей поведения термосферы Земли, связанных с термосферно-ионосферным взаимодействием, как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях с помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), сопоставить полученные результаты с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended), или сокращенно MSIS и термосферного ветра HWM93 (Horizontal Wind Model) и экспериментальными данными, и выяснить какие модели наиболее адекватно воспроизводят реальные геофизические условия.

Для достижения цели были поставлены задачи: 1. На основе численных экспериментов с помощью модели UAJVI определить чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных и граничных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования.

2. Провести сопоставление основных термосферных параметров, рассчитанных по модели UAM с данными современных эмпирических моделей температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для периодов конкретных геомагнитных бурь.

3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM определить как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параме тров термосферы.

4. С помощью модели UAM определить относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы на высоте ~ 400 км.

5. Выявить механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне.

Для изучения влияния спокойных и геомагнитно-возмущенных условий на состав, тепловой и ветровой режимы термосферы был выбран апрель 2002 года. В этот период произошли сильные магнитные бури, которые были предсказаны заранее из наблюдений за активностью Солнца, и для наблюдения за ними была организована целая международная кампания. Совместно работали практически все (7) установки некогерентного рассеяния в диапазоне широт от 29,4°N до 74,1°N, а так же велись наблюдения со спутников. Такие скоординированные действия позволили собрать обширные экспериментальные данные, особенно по ионосферным параметрам, таким как, электронная концентрация, электронная и ионная температура и скорость дрейфа. Из радарных измерений в обсерватории Миллстоун Хилл были извлечены значения скорости термосферного ветра над установкой некогерентного рассеяния, а спутниковые измерения позволили получить данные о плотности нейтрального газа.

В этот же период времени (2002 год) акселерометром спутника CHAMP проводились измерения плотности нейтрального газа на высотах около 400 км. Измерения выявили ранее неизвестную особенность в глобальном распределении плотности - на дневной стороне в приэкваториальной области был обнаружен ее минимум. Эта и другие особенности поведения термосферы в указанный период времени и явились предметом исследования диссертационной работы.

Метод исследования. Исследование поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли UAM, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. В модели UAM решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а так же уравнение для потенциала электрического поля. В модели реализована возможность подключения в виде отдельных модулей эмпирических моделей теплового режима и состава термосферы NRLMSISE-00 и скорости горизонтального термосферного ветра HWM93, что позволяет не только рассчитывать основные термосферные параметры путем решения уравнений, но и получать напрямую из эмпирических моделей.

Научная новизна проведенных исследований определяется как использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (UAM) в качестве инструмента исследований глобальной динамики термосферы в комплексе с эмпирическими моделями термосферы и экспериментальными данными о параметрах термосферы, так и результатами, полученными впервые:

1. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы, как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней термосферы (~400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.

2. На основе численных экспериментов с помощью модели UAM впервые определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы.

3. Впервые предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что они могут быть использованы как для интерпретации данных наблюдений, так и для совершенствования эмпирических моделей верхней атмосферы как параметров, необходимых для вычисления торможения искусственных спутников Земли и других космических аппаратов. Последнее в значительной степени относится к результатам сопоставления модели UAM с моделью NRLMSISE-00.

Достоверность полученных результатов обусловлена физической обоснованностью известных исходных уравнений и принципов, на которых базируется глобальная численная модель верхней атмосферы UAM, согласием результатов расчетов как с данными измерений параметров термосферы, так и с эмпирическими моделями атмосферы, как обобщением экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

1. Выявленная степень точности глобальной теоретической модели верхней атмосферы Земли UAM по параметрам верхней термосферы. Установлено, в частности, что погрешности модели UAM сопоставимы с погрешностями современных эмпирических моделей как для спокойных периодов, так и для периодов геомагнитных бурь. При этом UAM, в отличие от модели MSIS, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц. Термосферная циркуляция по UAM, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.

2. Установленный относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы; оценена относительная роль основных процессов в глобальной перестройке термосферы в период конкретных геомагнитных бурь.

3. Выявленный механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Личный вклад автора. Автором с помощью модели UAM выполнены модельные расчеты и численные эксперименты по изучению поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях. По результатам расчетов построены карты глобального распределения и временные вариации основных термосферных параметров, проведен анализ и дана физическая интерпретация полученных результатов. Автор принимала участие в обсуждении, подготовке и написании тезисов, статей и докладов по теме диссертации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2002, 2003); Международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); XXV-XXXI семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты 2002 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009); European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006); 4th, 5th, 6th и 7th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008); IUGG XXIV General Assembly (Perugia, Italy, 2007).

По теме диссертации опубликована 31 работа, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 12 работ в трудах научных конференций и 16 тезисов докладов.

Структура диссертации. Данная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 123 страницы текста, в том числе 25 рисунков и 17 страниц библиографии, содержащих 213 ссылок.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Доронина, Елена Николаевна

Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. На основе численных экспериментов с помощью глобальной модели верхней атмосферы Земли UAM определена чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования, что позволило выделить наиболее устойчивые закономерности этой динамики, включая асимметрию день-ночь в амплитуде изменения параметров термосферы при переходе от спокойных условий к периодам геомагнитных бурь, существование двухвихревой структуры термосферных ветров в высоких широтах и экваториального минимума в плотности верхней термосферы.

2. На основе сравнения численной модели верхней атмосферы UAM с современными эмпирическими моделями температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для конкретных геомагнитных бурь показано, что в целом погрешности модели UAM сопоставимы с погрешностями эмпирических моделей. При этом модель UAM, в отличие от модели MSIS, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц в верхней термосфере. Термосферная циркуляция по модели UAM, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.

3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней тсрмосферы (~400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.

4. На основе численных экспериментов с помощью модели UAM определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы.

5. Предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Таким образом, в результате проделанной работы были решены поставленные задачи изучения глобальной структуры и динамики термосферы Земли в спокойных и возмущенных условиях методами математического моделирования, выделения на этой основе новых свойств термосферы и интерпретации этих свойств.

Заключение

Таким образом, в диссертации проведено исследование особенностей поведения термосферы Земли как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях. Исследованы пространственно-временные вариации температуры и плотности нейтрального газа, концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота, отношения концентраций O/N2, скорости термосферного ветра на высотах вблизи максимума Р2-слоя, где состав и тепловой режим термосферы оказывают большое влияние на процессы в ионосфере.

Исследование проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли UAM, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. Получены решения физических связанных нелинейных уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а также уравнения для потенциала электрического поля для различных геофизических условий с различными входными параметрами и граничными условиями. В ходе расчетов применялись различные шаги пространственного и временного интегрирования.

Результаты расчетов представлены в виде карт глобального распределения и временных вариаций исследуемых параметров на фиксированных высотах, а не для фиксированных уровней давления, как это обычно делают, что позволило провести сопоставление полученных результатов с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы (NRLMSISE-00) и термосферного ветра (HWM93) и экспериментальными данными. Полученные результаты были проанализированы и дана их физическая интерпретация.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Доронина, Елена Николаевна, Мурманск

1. Alcayde D., Bauer P., Fontanari J. Long-term variations of thermospheric temperature and composition // J. Geophys. Res., V. 79, pp. 629-637, 1974.

2. Alcayde D., Fontanari J., Bauer P. High latitude neutral atmospheric temperature and concentration measurements from the first EISCAT incoherent scatter observations // Ann. Geophysicae, V. 38, pp. 473-480, 1982.

3. Alcayde D., Fontanari J. Neutral temperature and winds from EISCAT CP-3 observations // J. Atmos. Terr. Phys., V. 48, pp. 931-947, 1986.

4. Ainayenc P. Tidal oscillations in the meridional neutral wind at mid latitudes // Radio Sci., V. 9, pp. 281-294, 1974.

5. Antoniadis D.A. Determination of thermospheric quantities from simple ionospheric observations using numerical simulation // J. Atmos. Terr. Phys., v, 39, pp. 531-537, 1977.

6. Appleton E.V., Ingram L.J. Magnetic storms and upper atmospheric ionization // Nature, V. 136, pp. 548-549, 1935.

7. Aruliah A.L., Schoendorf J., Aylward A.D. Modeling the high-latitude equinoctial asymmetry // J. Geophys. Res., V. 102, pp. 27,207-27,216, 1997.

8. Babcook R.R. JR., Evans J.V. Seasonal and solar cycle variations in the thermospheric circulation observed over Millstone Hill // J. Geophys. Res., 84, pp. 7348-7364, 1979.

9. BarlierF., Berger C., Falin J.L., Kockarts G., Thuillier G. A thermospheric model based on satellite drag data // Ann. Geophys., V. 34, pp. 9-24, 1978.

10. Bates D.R. The temperature of upper atmosphere // Proc. Roy. Soc. London, V. 64, No. 381, pp. 805-831, 1951.

11. Berger C., Biancale R., Barlier F., Ill M. Improvement of the empirical thermospheric model DTM: DTM94 a comparative review of various temporal variations and prospects in space geodesy applications // Journal of Geodesy, Vol. 72, p.161-178, 1998.

12. Bernard R. Tides in the E-region observed by incoherent scatter over Saint Santin // J. Geophys. Res, V. 76, pp. 1105-1120, 1974.

13. Bilitza, D., K. Rawer, B. Reinisch (eds.). Path Toward Improved Ionosphere Specification and Forecast Models // Adv. in Space Research, V. 33, No. 6, 2004.

14. Blelly P.L., Fontanari J., Alcayde D., Wu J., Blanc M., Hanse T.L. Observations of the structure and vertical transport of the polar upper ionosphere with the EISCAT-VHF radar // Ann. Geophysicae, V. 10, pp. 394-406, 1992.

15. Blum P.W. The delay between solar activity and density changes in the upper atmosphere // Planetary Space Sci., V. 16, pp. 1427-1440, 1968.

16. Bowmar B.R., Tobiska W.K., Marcos F.A., Valladares C. The JB2006 empirical thermospheric density model // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., V., pp. 774-793, 2008.

17. Bowyer S., Kimble R., Paresce F., Lampton M., Penegor G. Continuous-readout extreme-ultraviolet airglow spectrometer // Appl. Opt., V. 20, pp. 477-486, 1981.

18. Bruinsma S., Thullier G., Barlier F. The DTM-2000 empirical thermosphere model with new data assimilation and constraints at lower boundary: accuracy and properties // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., V. 65, pp. 1053-1070, 2003.

19. Buonsanto M.J., Tung Y.-K., Sipler D.P. Neutral atomic oxygen density from nighttime radar and optical wind measurements at Millstone Hill // J. Geophys. Res., V. 97, pp. 86738679, 1992.

20. Buonsanto M.J., Pohlman L.M. Climatology of neutral exospheric temperature above Millstone Hill // J. Geophys. Res., V. 103, pp. 23,381-23,392, 1998.

21. Buonsanto M.J., Witasse O.G. An updated climatology of thermospheric neutral winds and F-region ion drifts above Millstone Hill // J.Geophys.Res., V. 104, pp. 24,675-24,687, 1999.

22. Burns A.G., Kileen T.L., Carignan G.R., Roble R.G. Large enhancements in the O/N2 ratio in the evening sector of the winter hemisphere during geomagnetic storms // J. Geophys. Res., V. 100, No. A8, pp. 14,661-14,671,1995a.

23. Burns A.G., Kileen T.L., Deng W., Carignan G.R., Roble R.G. Geomagnetic storm effects in the low- to middle-latitude upper thermosphere // J. Geophys. Res., V. 100, No. A8, pp. 14,673-14,691,1995b.

24. Burnside R.G., Sulzer M.P., Walker J.C.G. Determination of thermospheric temperatures and neutral densities at Arecibo from the ion energy balance // J. Geophys. Res., V. 93, pp. 8642-8650, 1988.

25. Burnside R.G., Tepley C.A., Sulzer M.P., Fuller-Rowell T.J., Torr D.G., Roble R.G. The neutral thermosphere at Arecibo during geomagnetic storms // J. Geophys. Res., V. 96, pp. 1289-1301, 1991.

26. Codrescu M. V., Roble R. G., Forbes J. M. Interactive ionosphere modeling: a comparison between TIGCM and ionosonde data // J. Geophys. Res., V. 97, No. A6, pp. 8591-8600, 1992.

27. Crowley G., Emery B.A., Roble R.G., Carlson H.C., Knipp D.J. Thermospheric dynamics during September 18-19, 1984, 1, Model simulations // J. Geophys. Res., V. 94, pp. 16,92516,944, 1989a.

28. Chandra S., Stubbe P., The diurnal phase anomaly in the upper atmosphere density and temperature // Planetary Space Sci., V. 18, pp. 1021-1031, 1970.

29. Chapman S., Lindzen R.S. Atmospheric tides: thermal and gravitational // Gordon and Breach, New York, pp. 1-23, 1970.

30. Chiu Y.T. An improved phenomenological model of ionospheric density // J. Atmos. Terr. Phys., V. 37, pp. 1563- 1570, 1975.

31. Danilov A.D., Kalgin Yu.A. Eddy diffusion studies in the lower thermosphere // Adv. Space Research, V. 17, No. 11, p. (11)17-(11)24, 1996.

32. Dickinson R.E., Lagos C.P., Newell R.E. Dynamics of the neutral gas in the thermosphere for small Ross by numbers // J. Geophys. Res., V. 73, pp. 4299-4313, 1968.

33. Dickinson R.E., Ridley E.C., Roble R.G. A three-dimensional, time-dependent general circulation model of the thermosphere // J. Geophys. Res., V. 86, pp. 1499-1512, 1981.

34. Dickinson R.E., Ridley E.C., Roble R.G. Thermospheric general circulation with coupled dynamics and composition // J. Atmos. Sci., V. 41, pp. 205-219, 1984.

35. Doronina E.N., Namgaladze A.A., Forster M. A Model Interpretation of the CHAMP Neutral Mass Density Measurements // Proceedings of the 6th International Conference "Problems of Geocosmos", St. Petersburg, pp. 58-61, 2006.

36. Duncan R.A. F-region seasonal and magnetic-storm behaviour // J. Atmos. Terr. Phys., V. 31, pp. 59-70, 1969.

37. Drob D.P., Meier R.R., Picone J.M., Strickland A.C. Atomic oxygen in the thennosphere during the July 13, 1982, solar proton event deduced from far ultraviolet images // J. Geophys. Res., V. 104, pp. 4267-4278, 1999.

38. De Vries L.L., Friday E.W., Jones L.C. Analysis of density data reduced from low-altitude, high resolution satellite tracking data // Space Res., V. 7, pp. 1173-1182, 1967.

39. Evans J.V., Oliver W.L., Salah J.E. Thermospheric properties as deduced from incoherent measurements //. J. Atmos. Terr. Phys., V. 41, pp. 259-278, 1979.

40. Engebretson M. J., Maucrsberger K., Kayser D. C., Potter W. E., Nier A. O. Empirical model of atomic nitrogen in the upper thermosphere // J. Geophys. Res., V. 82, pp. 461-471, 1977.

41. Fesen C.G. Simulations of the low-latitude midnight temperature maximum // J. Geophys. Res., V. 101, pp. 26,863-26,874, 1996.

42. Forbes J.M., Garrett H.B. Theoretical studies of atmospheric tides // Rev. Geophys., V. 17, pp. 1951-1981, 1979.

43. Forbes J.M., Zhang X., Talaat E.R., Ward W. Nonmigrating diurnal tides in the thermosphere //J. Geophys. Res., V. 108, No. Al, 1033, doi: 10.1029/2002JA009262, 2003.

44. Forbes J.M., Lu G., Bruinsma S., Nerem S., Zhang X. Thermosphere density variations due to the 15-24 April 2002 solar events from C1TAMP/STAR accelerometer measurements // J. Geophys. Res., V.110, A12S27, doi: 10.1029/2004JA010856, 2005.

45. Forster M., Jakowski N. The Nighttime Winter Anomaly (NWA) effect in the American sector as a consequence of interhemispheric ionospheric coupling // Pure Appl. Geophys., V. 127, pp. 447-471, 1988.

46. Friedman M.P. A three-dimensional model of the upper atmosphere // SAO Special Report, V. 250, pp.1-115, 1967.

47. Fujii R., Nozawa S., Buchert C.S., Brekke A. Statistical characteristics of electromagnetic energy transfer between the magnetosphere, the ionosphere, and the thermosphere // J. Geophys. Res., V. 104, pp. 2357-2366, 1999.

48. Fuller-Rowell T.J., Rees D. A three-dimensional time-dependent global model of the thermosphere // J. Atmos. Sci., V. 37, pp. 2545-2567, 1980.

49. Fuller-Rowell T.J., Rees D. A three-dimensional, time-dependent simulation of the global response of the thermosphere to a geomagnetic substorm // J. Atmos. Terr. Phys., V. 43, pp. 701-721, 1981.

50. Fuller-Rowell T.J., Rees D. Derivation of a conservative equation for mean molecular weight for a two constituent gas within a three-dimensional time-dependent model of the thermosphere // Planet. Space Sci., V. 31, pp. 1209-1222, 1983.

51. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Quegan S., Bailey G.J., Moffett R.J. The effect of realistic conductivities on the high-latitude neutral thermospheric circulation // Planet, Space Sci., V. 32, pp. 469-480, 1984.

52. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Quegan S., Moffett R.J., Bailey G.J. Interactions between neutral thermospheric composition and the polar ionosphere using a coupled ionosphere-thermosphere model // J. Geophys. Res., V. 92, pp. 7744-7748, 1987.

53. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Tinsley B.A., Rishbeth H., Rodger A.S., Quegan S. Modelling the response of the thermosphere and ionosphere to geomagnetic storms: effects of a mid-latitude heat source // Adv. Space Res., V. 10(6), pp. 215-224,1989.

54. Fuller-Rowell T.J., Rees D., Quegan S., Moffett R.J., Codrescu M.V., Millward G.H. A Coupled Thermosphere-ionosphere Model (CTIM) // in STEP Handbook on Ionospheric Models, edited by R. W. Schunk, pp. 217- 238, Utah State Univ., Logan, Utah, 1996.

55. Hagan M.E., Forbes J.M., Vial F. A numerical investigation of the propagation of the quasi 2-day wave into the lower thermosphere // J. Geophys. Res., V. 98, pp. 23,193-23,205, 1993.

56. Hagan M.E., Chang J.L., Avery S.K. GSWM estimates of non-migrating tidal effects // J. Geophys. Res., V. 102, pp. 16,439-16,452, 1997.

57. Hagan M.E., Roble R.G., Hackney J. Migrating thermospheric tides // J. Geophys. Res., V. 106, pp. 12,739-12,752, 2001.

58. Hagan M.E., Forbes J.M. Migrating and nonmigrating semidiurnal tides in the upper atmosphere excited by tropospheric latent heat release // J. Geophys. Res., V. 108, No. A2, 1062, doi: 10.1029/2002JA009466, 2003.

59. Hall C.M., Breklte A., Martynenko O.V., Namgaladze A.A. Turbulent energy dissipation in the high-latitude mesosphere: The PGI97 model // Atmos. Sol.-Terr. Phys., V. 60, pp. 331336, 1998.

60. Harper R.M., Wand R.H., Zamlutti C.J., Farley D.T. E-region ion drifts and winds from incoherent scatter measurements al Arecibo // J. Geophys. Res., V. 81, pp. 25-35, 1976.

61. Harris I., Priester W. Time dependent structure of the upper atmosphere // J. Atmos. Sci., V. 19, pp. 286-301, 1962.

62. Harris I., Priester W. Of the diurnal variation of the upper atmosphere // J. Atmos. Sci., V. 22, pp. 3-10, 1965.

63. Hays P.B., Wu D.L., Burrage M.D., Grell D.A., Grassl H.J., Lieberman R.S., Marshall A.R., Morton Y.T., Ortland D.A., Skinner W.R. Observations of the diurnal tide from space // J.Atmos. Sci., V. 51, pp. 3077-3093, 1994.

64. Hedin A.E., Reber C.A. Longitudinal variations of thermospheric composition indicating magnetic control of polar heat input // J. Geophys. Res., V. 77, pp. 2871-2879, 1972

65. Hedin A.E., Mayr H.G., Reber C.A., Spenser N.W., Carignan G.R. Empirical model of global thermospheric temperature and composition based on data from the Ogo 6 quadrupole mass spectrometer//J. Geophys. Res., V. 79, pp. 215-225, 1974.

66. Hedin A.E., Reber C. A., Newton G.P., Spencer N. W., Brinton H.C., Mayr H.G., Potter W.E. A global thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data, MSIS 2, Composition // J. Geophys. Res., V. 82, No. 16, pp. 2148-2156, 1977b.

67. Hedin A.E., Reber C.A., Spencer N.W., Brinton H.C., Kayser D.C. Global model of longitude/UT variations in thermospheric composition and temperature based on mass spectrometer data // J. Geophys. Res., V. 84, No. Al, pp. 1-9, 1979.

68. Hedin A.E. A revised thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data: MSIS-83 //J. Geophys. Res., V. 88, No. A12, pp. 10,170-10,188, 1983.

69. Hedin A.E. MSIS-86 thermospheric model // J. Geophys. Res., V. 92, No. A5, pp. 46494662, 1987.

70. Hedin A.E., Spencer N.W., Killen T.L., Empirical global model of upper thermosphere winds based on Atmosphere and Dynamics Explorer satellite data // J. Geophys. Res., V. 93, pp. 9959-9978, 1988.

71. Hedin A.E. Extension of the MSIS thermospheric model into the middle and lower atmosphere // J. Geophys. Res., V. 96, No. A2, pp. 1159-1172, 1991a.

72. Hernandez G., Roble R.G. Thermospheric nighttime neutral temperature and winds over Fritz Peak Observatory: Observed and calculated solar cycle variation // J.' Geophys. Res., V. 100, No. A8, pp. 14,647-14,659, 1995.

73. Носке К. Tidal variations in the high-latitude E- and F-region observed by EISCAT // Ann. Geophys., V. 14, pp. 201-210, 1996.

74. Iijima Т., Potemra T. A. The amplitude distribution of field-aligned currents at northern high-latitudes observed by TRIAD // J. Geophys. Res, V.76, No. 13, pp. 2165-2174, 1976.

75. Immel T.J., Craven J.D., Frank L.A. Influence of IMF By on large-scale decreases of О column density at middle latitudes // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., V. 59, pp. 725-736, 1997.

76. Immel T.J., Craven J.D., Nicholas A.C. The DE-1 auroral imager's response to the FUV dayglow for thermospheric studies // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., V. 62, pp. 47-64, 2000.

77. Immel T. J., Crowley G., Craven J.D., Roble R.G. Dayside enhancements of thermospheric O/N2 following magnetic storm onset //J.Geophys.Res., V.106, N0.A8, pp.15,471-15,488, 2001.

78. Igi S., Oliver W.L., Ogawa T. Solar cycle variations of the thermospheric meridional wind over Japan derived from measurements of hmF2 // J.Geophys.Res., V. 104, pp. 22,42722,431, 1999.

79. Isakov M.N. On theoretical models of the structure and dynamics of the Earth's thermosphere // Space Sci. Rev., V. 12, pp. 261-298, 1971.

80. Jacchia L.G. Static diffusion models of the upper atmosphere with empirical temperature profiles // SAO Special Report, No. 170, 1964.

81. Jacchia L.G. New static models of the thermosphere and exosphere with empirical temperature profiles // SAO Special Report, No. 313, 1970.93.