Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Определение параметров внешней ионосферы над Восточной Сибирью по данным иркутского радара некогерентного рассеяния и карт полного электронного содержания

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Определение параметров внешней ионосферы над Восточной Сибирью по данным иркутского радара некогерентного рассеяния и карт полного электронного содержания"

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

На правах рукописи УДК 550.510.535

Хабитуев Денис Сергеевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЫ НАД ВОСТОЧНОЙ СИБИРЬЮ ПО ДАННЫМ ИРКУТСКОГО РАДАРА НЕКОГЕРЕНТНОГО РАССЕЯНИЯ И КАРТ ПОЛНОГО ЭЛЕКТРОННОГО

СОДЕРЖАНИЯ

25.00.29-«Физика атмосферы и гидросферы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 г т 2015

005558008

Иркутск-2015

005558008

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

Научный руководитель:

Шпынев Борис Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Иванов Всеволод Борисович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет», профессор

Степанов Александр Егорович, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник, доцент

Ведущая организация:

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

Защита состоится «31 марта 2015 г. в 14.00 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, 126а, а/я 291, ИСЗФ СО РАН

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук: http://iszf.irk.ru

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета.

кандидат физико-математических наук

Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и степень разработанности темы исследования

В последнее десятилетие в ионосферных исследованиях заметно возрос интерес к внешней ионосфере. Это обусловлено развитием современных методов диагностики, а также важностью понимания процессов, происходящих на высотах выше максимума слоя ¥2, для современных моделей и прогнозов космической погоды. Внешняя ионосфера является сложной для исследований системой, поскольку составляющие ее атомарные газы не имеют в микроволновом диапазоне спектральных линий, по которым можно было бы проводить дистанционное зондирование этой области со спутников. Единственным наземным средством диагностики на высотах выше максимума ионизации являются радары некогерентного рассеяния (НР), которые являются дорогими в эксплуатации и сложными установками. На сегодняшний день в мире существует 11 радаров такого типа В конце 90-х гг. XX в. в России появилась установка, созданная на базе военной РЛС «Днепр», которая была передана по конверсии ИСЗФ СО РАН [1]. На основе антенной и передающей систем данной РЛС был создан Иркутский радар НР (ИРНР), интегрирующий в себе современные цифровые технологии проведения эксперимента и обработки данных [2].

Регулярные исследования ионосферы на ИРНР стали проводиться с конца 90-х гг., и к настоящему моменту накоплена большая база ионосферных данных. Получаемые с помощью ИРНР параметры следующие: электронная концентрация пе, электронная Те и ионная Т, температуры, скорость дрейфа плазмы ионный состав [3]. Географическое положение ИРНР делает его уникальным инструментом, поскольку в мировой сети радаров он является единственным, действующим в центре Азиатского региона

Благодаря конструкции антенной системы ИРНР обладает рядом особенностей по сравнению с другими установками такого типа ИРНР может излучать и принимать сигналы только с одной линейной поляризацией поля, поэтому в профиле мощности принимаемого сигнала вследствие эффекта Фарадея - вращения плоскости поляризации волны в замагниченной плазме -образуются минимумы, или точки замирания сигнала, в случае, когда плоскости поляризации волны и антенны ортогональны. Это создает определенные сложности в методике восстановления ионосферных параметров по данным радара, однако благодаря этим замираниям можно однозначно определять полное электронное содержание от поверхности Земли до высоты каждого поляризационного минимума. Эти данные являются уникальной особенностью ИРНР, и их использование является одним из важных моментов настоящей работы.

Предметом исследования в диссертационной работе является внешняя ионосфера, важнейшими характеристиками которой являются масштабная высота внешней ионосферы и высота перехода 0+/Н+.

Масштабная высота является параметром, характеризующим крутизну профиля концентрации выше максимума ионизации, а высота перехода

OVH+ - смену преобладающей компоненты ионосферной плазмы от тяжелых ионов О* к более легким ионам Н+ и Не+. Можно также сказать, что высота перехода является границей раздела двух сред - ионосферы и плазмосферы -и играет важную роль при описании процессов их взаимодействия.

Расчет масштабной высоты можно проводить с использованием профиля электронной концентрации, получаемого в рамках стандартной методики обработки данных ИРНР. Однако определение высоты перехода 0+/Н* по данным стандартных измерений возможно лишь в редких случаях, поскольку ее типичные значения составляют 800-1500 км, а энергетический потенциал ИРНР позволяет проводить уверенные измерения только до высоты -700 км. В связи с этим получение сведений о высоте перехода 0+/Н+ требует привлечения дополнительных экспериментальных данных и специальных способов их ассимиляции с данными ИРНР.

Цель и основные задачи диссертационной работы

Целью работы является разработка метода определения высоты перехода OVH+ путем объединения данных ИРНР с данными полного электронного содержания (ПЭС) навигационной спутниковой системы GPS.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи.

1. Разработка модели внешней ионосферы, учитывающей структуру области перехода между ионосферой и плазмосферой путем введения масштабной высоты переходной области, и создание на ее основе методики определения высоты перехода 07Н+, по данным ИРНР и ПЭС GPS.

2. Исследование сезонно-суточных вариаций масштабной высоты внешней ионосферы и высоты перехода 0+/Н+ в Восточно-Сибирском регионе для разных условий солнечной и геомагнитной активности.

Научная новизна

1. Благодаря уникальным конструктивным особенностям ИРНР на нем был реализован совершенно новый тип измерений, которые позволили получить не доступную ранее информацию о параметрах внешней ионосферы.

2. Разработана модель внешней ионосферы, учитывающая изменение масштабной высоты электронной концентрации при переходе от ионосферы к плазмосфере, где для описания ионного состава вблизи высоты перехода СГЛГ используется масштабная высота переходной области.

3. На основе данной модели разработана методика определения высоты перехода 0+/Н+, ассимилирующая данные поляризационных замираний и масштабной высоты внешней ионосферы (ИРНР), а также данные карт ПЭС GPS.

4. Впервые для Восточной Сибири получены данные по динамике высоты перехода 07Н+ и исследованы вариации этого параметра в разных солнечных и геомагнитных условиях.

Научная и практическая значимость работы

В рамках работы для расчетов высоты перехода 0+/Н+, создан программный модуль, который был включен в состав комплекса вторичной обработки данных ИРНР, что повысило диагностические возможности установки. В Восточно-Сибирском секторе земного шара впервые с высоким временным разрешением получены данные о динамике высоты перехода 0+/Н+ и масштабной высоты внешней ионосферы.

Результаты и разработанные методы могут быть использованы для улучшения существующих и разработки новых глобальных моделей химического состава и электронной концентрации внешней ионосферы. Методика объединения данных ИРНР и ПЭС GPS является перспективным комплексным методом исследований внешней ионосферы и позволяет получать параметры, ранее не доступные для измерений.

Достоверность результатов

Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов и статистикой наблюдений. Ряд характеристик внешней ионосферы был впервые получен для региона Восточной Сибири, а полученные результаты не противоречат результатам теоретических и полуэмпирических моделей, а также аналогичным исследованиям, проводимым на радарах HP в других областях земного шара Результаты, полученные в ходе работы и вынесенные на защиту, обсуждались на научных семинарах, публиковались в рецензируемых журналах и докладывались на российских и международных конференциях.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в разработке модели и методики расчетов, в подготовке публикаций совместно с научным руководителем Б.Г. Шпыневым. Автор является разработчиком программного модуля расчета параметров внешней ионосферы, включенного в состав комплекса вторичной обработки данных ИРНР. Автор является непосредственным участником работ по тестированию разработанной модели на данных полуэмпирических моделей, справочной модели IRI, теоретической модели A.B. Тащилина и модели на основе данных COSMIC/FORMOSAT3.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре отдела физики околоземного космического пространства ИСЗФ и докладывались на следующих научных конференциях: Байкальской международной молодежной научной школе по фундаментальной физике (БШФФ) 2009, 2011, 2013; симпозиуме «Progress In Electromagnetics Research Symposium» (PIERS 2012, Москва); XIX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» 2013; конференции «International School-Conference "Remote Radio Sounding of the Ionosphere"» (ION-2013, Крым, октябрь 2013 г.); 11-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса 2013».

Статьи с описанием модели и методики расчета прошли рецензирование в журнале JASTP и опубликованы в российских журналах, входящих в перечень ВАК.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 8 работ, 2 из которых - в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов диссертаций:

1. Shpynev B.G., Khabituev D.S. Estimation of the plasmasphere electron density and 0+/H+ transition height from Irkutsk incoherent scatter data and GPS total electron content //JASTP. - 2014. - DOI: 10.1016/j .j astp.2014.01.007.

2. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г. Вариации высоты перехода 0+/Н+ над Восточной Сибирью по данным Иркутского радара HP и ПЭС GPS // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2014. -Т. 11,-№ 1.-С. 107-117

Прочие публикации:

3. Хабитуев Д.С. Шпынев Б.Г. Оценка электронного содержания плаз-мосферы и высоты перехода 07Н+ по данным иркутского радара HP и ПЭС GPS // Сборник трудов XII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» БШФФ-2013. - 2013. - С. 211-213.

4. Khabituev D.S., Shpynev B.G. Possibility of 07H+ Transition Level Determination from Irkutsk incoherent scatter data and GPS total electron content // PIERS Proceedings. - 2012. - P. 1164.

5. Хабитуев Д.С. Шпынев Б.Г. Оценка электронного содержания плаз-мосферы и высоты перехода 0+/Н+ по данным иркутского радара HP и ПЭС GPS // Сборник докладов XIX Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». - Барнаул 2013. - D. 28. - С.96.

6. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г. Вариации формы профиля электронной концентрации внешней ионосферы по данным Иркутского радара HP // Сборник трудов XII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» БШФФ-2009. - 2009. - С. 207-209.

7. Шпынев Б.Г, Жеребцов Г.А., Тащилин А.В., Хабитуев Д.С., Щербаков А.А. Анализ состояния среднеширотной внешней ионосферы по данным измерений на Иркутском радаре HP // Солнечно-земная физика. - 2010. - № 16, - С. 15-20.

8. Хабитуев Д.С., Шпынев Б.Г. Оценка параметров внешней ионосферы по данным некогерентного рассеяния и ПЭС GPS // Сборник трудов XII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» БШФФ-2011. - 2011. - С. 261-262

Основные положения выносимые на защиту

1. Разработан метод определения высоты перехода 07Н+ в ионосфере Восточно-Сибирского региона, использующий данные Иркутского радара HP, данные карт ПЭС GPS и модель внешней ионосферы, учитывающую структуру области перехода через масштабную высоту переходной области.

2. Выявлено, что типичные значения масштабной высоты составляют около 100 км днем и 150 км ночью при низкой солнечной активности, и увеличиваются, в среднем, на 50 км во время высокой солнечной активности. При возмущенной геомагнитной обстановке вариации масштабной высоты зависят от направления и величины потока плазмы вдоль геомагнитного поля, вызывая спорадические возмущения.

3. Показано, что для Восточно-Сибирского региона, значения высоты перехода 07Н\ в среднем, составляют 600-900 км ночью и 900-1200 км днем, причем динамика высоты перехода определяется динамикой ионов атомарного кислорода днем, и потоком ионов водорода из плазмосферы ночью. В возмущенных условиях и при высокой солнечной активности высота перехода, как правило, увеличивается, а при низкой солнечной активности уменьшается.

Структура н объем диссертации

Структурно диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 80 наименований, а так же включает 2 таблицы и 35 рисунков. Полный объем составляет 102 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, формулируются цели работы, научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения, сведения об апробации работы и ее краткое содержание.

Глава 1 содержит обзор современного состояния темы исследования. На основе классических уравнений дано описание области исследований -внешней ионосферы. Рассмотрены современные подходы к изучению и моделированию внешней ионосферы, разрабатываемые разными группами авторов. Рассмотрены существующие на сегодняшний день модели ионного состава внешней ионосферы.

В разделе 1.1 описана общая теория формирования внешней ионосферы. Приведены формулы основных реакций, которые протекают на высотах внешней ионосферы, в результате которых образуются основные ионы. Приведены классические формулы, описывающие состояние внешней ионосферы и имеющие непосредственное отношение к теме исследования.

В разделе 1.2 описан ключевой параметр внешней ионосферы - масштабная высота (МВ). Рассмотрены различные методы ее расчетов, влияние на МВ динамических эффектов нейтральной атмосферы, а также температурных изменений. Рассмотрена зависимость формы профиля концентрации внешней ионосферы от значений МВ.

В разделе 1.3 подробно рассматривается роль диффузии и нейтрального ветра в формировании МВ внешней ионосферы по данным ИРНР. Показано различие между диффузионной и эффективной МВ. Описана возможность получения данных о параметрах нейтрачьного ветра с использованием стандартной методики обработки данных ИРНР. Приведены тестовые расчеты

параметров нейтрального ветра и полного потока плазмы вдоль геомагнитного поля для различных сезонов года.

В разделе 1.4 рассматриваются современные подходы к моделированию ионного состава внешней ионосферы. Дано описание второго ключевого параметра внешней ионосферы - высоты перехода 0+/Н+(ВП). Описаны типичные вариации ВП в зависимости от широты, времени суток, сезона года и солнечной активности. Рассмотрен вклад ионов гелия для различных уровней солнечной активности.

В разделе 1.5 обсуждается роль мировой сети радаров HP в современных исследованиях ионосферы.

В разделе 1.6 сформулированы основные выводы, полученные в главе 1.

В Главе 2 дано описание модели внешней ионосферы и методики определения высоты перехода 0+/Н+.

В разделе 2.1 дана характеристика экспериментальных данных. Основой проводимых исследований служат данные среднеширотного Иркутского радара некогерентного рассеяния (52° с.ш.,103° в.д.). Основным отличием ИРНР от других радаров HP является возможность излучения и приема сигналов только с одной линейной поляризацией поля. Эффект Фарадея приводит к замиранию линейно поляризованного сигнала, когда плоскости поляризации волны и антенны ортогональны. Это свойство ИРНР позволяет определять абсолютное электронное содержание до каждого поляризационного минимума по формуле

ТЕСр =0.91(0.5+п)к, (1)

где п - количество минимумов. Поляризационные минимумы уверенно регистрируются до высот 400-500 км, и содержание электронов до этих высот определяется с высокой точностью.

Вторым источником данных является профиль электронной концентрации «¡.(Л), рассчитанный по стандартной методике обработки данных ИРНР [4]. Интервал высот выше максимума hmF2 до высот -550 км использовался нами для расчета MB кислородной плазмы. Мы предполагаем, что в данном интервале высот плазма состоит только из ионов 0+, что соответствует результатам большинства моделей (например IRI) и экспериментальным данным. Масштабная высота используется далее для оценки электронного содержания выше последнего поляризационного минимума.

Основной идеей разработанного в диссертации метода является совместное использование данных ИРНР и карт ПЭС, полученных по данным спутниковой системы GPS. Необходимость использования карт ПЭС вызвана отсутствием приемников GPS в Иркутске в анализируемый период измерений ИРНР (1998-2005 гг.). После 2011 г. могут использоваться данные ПЭС двухчастотного приемника в Иркутске.

В разделе 2.2 рассматривается модель внешней ионосферы и методика получения ВП.

В модели для описания профиля внешней ионосферы используется модифицированный слой Чепмена, где ВП 0+/Н+ включена как параметр. Пред-

полагается, что тепловая плазма внешней ионосферы состоит из двух компонент: ионов 0+ и Н+. Основным принципом такой модели является распределение каждой из компонент плазмы во внешней ионосфере с разной МВ. Масштабная высота атомарного кислорода Н0* определяется по экспериментальным данным ИРНР из профиля электронной концентрации. Эта МВ (кислородная) описывает профиль концентрации ниже ВП. В окрестности ВП 0+/Н+ мы вводим специальную область перехода, которая отвечает за экспоненциальную смену преобладающей компоненты. Выше ВП считаем, что плазма состоит только из легких ионов водорода и гелия. В модели мы используем известное предположение, что масштабные высоты ионов 0+ и Н+ различаются в соотношении, пропорциональном различию масс ионов [5]. Разница между кислородной МВ и МВ выше переходной области регулируется коэффициентом М - массовым фактором:

Яя+=МЯ0+=16Я0+. (2)

В формуле (2) наличие ионов гелия также учитывается массовым фактором М. В качестве базовой формулы для описания профиля каждой из компонент, используется простой слой Чепмена:

л0(/1) = Лгтехр(1-г-е_г), (3)

где ЛГт - концентрация в максимуме слоя Р2, £ —тз-, Ат - высота макси-

пО+

мума слоя. Высота перехода 0+/Н+ определяется как высота, на которой концентрации ионов кислорода и водорода равны п(0*)=п(Н*). Чтобы учесть размер области смешивания, мы используем масштабную высоту переходной области Нт, которая определяет коэффициент экспоненциального изменения концентрации 0+ и Н+, причем Нг одинакова для обеих компонент.

Тогда выражения для распределения каждой компоненты выше и ниже ВП имеют следующий вид. Для ионов кислорода

Лд*(/0 =

1

21

\г

1г>кг

(4)

Подобным образом для ионов водорода

п0(/г)1егт. нщ

«о(/гг)

ехр

Нн+

1

II >1^

(5)

Выполнив сложение (4) и (5), получим выражение для суммарной концентрации

_ Л—А,,

Здесь ^х--л—, И, - высота перехода 0+/Н+.

На рис. 1 показан пример распределения основных компонент, и суммарной концентрации ионов, согласно модели (4}-{6). В уравнении (6) отсутствует зависимость от Н,. Это означает, что размер переходной области не влияет на положение самой ВН Иг. Такое свойство модели является важным при построении методики определения Лт. Отметим, что по сравнению с другими моделями, описывающими распределение ионного состава вблизи ВП. модель (4)—(6) дает наиболее простую и адекватную аппроксимацию данных прямых измерений ВП на радаре Аресибо [6].

Все параметры, за исключением йт, входящие в (6) могут быть измерены с помощью ИРНР. Для объединения модели и экспериментальных данных мы разделили высотный интервал ионосферы на три условные области (см. рис. 1): ниже последнего минимума Ар профиля мощности (область ТЕСГ)\ выше Л| и ниже йг (область ТЕС2), выше Нт (область ТЕСУ).

160Сп

'0-» н+

о* + н*

1200-

ТЕСЗ

[

ТЕС2

400 ■

ТЕСР

О -{--1-,-1—|-7--|

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Рис. I. Распределение основных компонент внешней ионосферы.

Высотный профиль n,.(/i) во внешней ионосфере на высотах области ТЕС2 с достаточной точностью можно аппроксимировать выражением:

ln/Zj. = ah+b, (7)

где коэффициенты а, b легко вычисляются с помощью линейной регрессии. Пример такой аппроксимации показан на рис. 2. Коэффициенты а, b в (7) мы рассчитываем в диапазоне высот от -350 до -550 км. Коэффициенты а, h связаны с кислородной МВ соотношениями 1

Но+ b = ]n(Nm)+\ +

I'm '

(8)

где к,„ - высота и Л^, концентрация в максимуме Р2 слоя. Таким образом, для ТЕС2 получим:

6-

2.4-

2-

Профиль In(Ne) Линейная регрессия

hm hT

I 1 Т 1 ! 1 Г 1 Í 200 400 600 800 1000 км

Рис. 2. Аппроксимация профиля In(Nc) линейной регрессией.

ТЕС2 = ^-(expía/ij. +¿)-exp(a/ij.. +b)). Используя (5) для высот выше йт можно записать для ТЕСЪ:

h-liy

ТЕС Tí = I ехр

К

ah^+b-

Н

н*

dh-

: ^-exp [ahj. )f ехр(й)-ехр {b+^{hc?s->h)

(9)

(10)

В сравнении с высотой пролета спутников GPS (-20000 км) высота h\ мала (порядка 5 %), и поэтому в показателе последней экспоненты в (10)

можно использовать некоторое среднее значение й_ =1000км в виде кон-

0

станты. Тогда выражение для ТЕСЗ преобразуется к виду

Г£СЗ=Мехр(аАг)ехр(Ь)-«р(ы-^Р8-Лго)

Л

(11)

Сумму электронного содержания во всех трех областях теперь можно приравнять к полному электронному содержанию, доступному из карт ПЭС:

ТЕСсрз=ТЕСр+ТЕС2+ТЕСЗ. (12)

Подставляя (11) и (9) в (12), получим

ТЕСс Р5 =1(ехр(йАг+Ь)-ехр(а/гр+г>»+

Отсюда получим выражение для Лт:

+ТЕС„

(13)

~ а

а(7"£Сор5 -Г£С,,)+ехр(а/гр +б)

ехр(Ь)

(14)

Рассматриваемая модель внешней ионосферы требует, чтобы концентрация на высоте Лт была больше нуля, т. е., условие йт<-(Ыа) является условием применимости модели. Кислородная МВ является величиной, обратно пропорциональной первому коэффициенту регрессии в (7). В тексте диссертации в разделе 1.3 показано, что при описании реального профиля концентрации необходимо рассматривать МВ как составную величину, значительный вклад в которую вносит нейтральный ветер и поток плазмы вдоль линий геомагнитного поля [7]. Поэтому в качестве экспериментально определяемой МВ кислородной плазмы мы рассматриваем эффективную МВ НеЯ. Влияние динамических факторов на МВ, входящую в (14), определяется следующими выражениями:

Нг^Ы

а[ТЕССР5-геСр)+ехр(д/1[; +Ь)

ч ^ ' ^

Н

н г

(15)

Х- 1 +Э1пГ I Дет/'

где Н - диффузионная MB, описывающая состояние плазмы в диффузионном равновесии; VI - член, отвечающий за «искажение» динамическими эффек-кТ

тами; Тр=Те+Т, Нр = - плазменная температура и плазменная MB;

т* - масса протона; ¿7,, = £/ cos / , =-g0sin/ - проекции скорости нейтрального ветра и ускорения силы тяжести на силовую линию; ^ - скорость движения плазмы вдоль силовой линии геомагнитного поля. В тексте диссертации показано, что величины ПН и 1/1 дают сопоставимый вклад в значения MB и /гт, поэтому влияние нейтрального ветра на эти величины является существенным.

В разделе 2.3 сформулированы основные выводы, полученные в главе 2.

В главе 3 представлены результаты расчетов по разработанному методу (далее метод ИРНР-GPS), основные особенности наблюдаемых вариаций, а также сравнение с результатами других моделей.

В разделе 3.1 исследованы вариации MB, получаемой по данным ИРНР для различных условий солнечной и геомагнитной активности.

Регулярные измерения на ИРНР в рамках международного геофизического календаря проводятся с конца 90-х гг. Рассматриваемый нами временной интервал измерений включает в себя большую часть 23-го цикла солнечной активности. Каждый год содержит около 30 дней измерений, которые обычно сосредоточены вблизи периодов солнцестояния и равноденствия либо соответствуют периодам сильных геомагнитных возмущений.

Для исследования изменчивости масштабной высоты Не[[ от солнечной активности данные были разбиты на две группы: с высокой (/'10.7-200) и низкой (F10.7-100) активностью. Для исследования вариаций связанных с уровнем геомагнитной активности данные были сгруппированы по величинам индексов Ар.

Из общефизических соображений понятно, что на суточный ход Нсн контролирующее влияние должна оказывать солнечная радиация, которая определяет скорость ионизации на высотах вблизи максимума Р2-слоя. Если диффузионный поток днем не успевает уносить плазму из области ионизации, крутизна профиля ле(й) увеличивается и MB уменьшается. Ночью поток ионизации идет из плазмосферы, профиль nc(h) становится пологим и MB увеличивается. Во время прохождения солнечного терминатора происходит перестройка от дневной ионосферы к ночной, что отражается в значениях MB.

Динамику MB при низкой солнечной и геомагнитной активности можно характеризовать как полностью контролируемую длительностью светового дня и параметрами термосферного нейтрального ветра Проводя сравнение динамики Неff при низкой и высокой солнечной активности, можно сделать следующие выводы. Для всех рассмотренных сезонов, кроме зимы, при высокой солнечной активности наблюдаются более высокие значения НсП (примерно на 50 %). Во время весеннего и осеннего равноденствий динамика MB

идентична, имеет постоянные дневные значения, и небольшое повышение в ночные часы. Во время летнего солнцестояния дневные значения НеК выше, чем ночные. Изменение значений Нсп при низкой геомагнитной активности в основном связано с перестройкой день-ночь и, возможно, с изменением параметров нейтрального термосферного ветра.

В разделе 3 представлены также расчеты МВ в период сильных геомагнитных возмущений в начале октября 2002 г. (рис. 3). Проводя сравнение с динамикой МВ в невозмущенные дни, можно говорить о присутствии спорадических, не связанных с регулярными изменениями, вариаций. Кроме того, во время эксперимента прослеживается повышение среднесуточных значений, которое согласуется с ростом /10.7.

0 24 48 72 96 ^ 144 168 192 216 240

170- --------

160- _________J--' '

150- _■

140----1_"

1зоЧ-.-,-,-1-.-,-,-1-.-,----,-,-1-,-,-,-,-,-,

0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240

Местное время

Рис. 3. Масштабная высота Hcir во время сильных геомагнитных возмущений I—]0 октября 2002 г.

Для проверки непротиворечивости получаемых результатов было проведено сравнение с аналогичными расчетами на среднеширотном радаре Миллстоун Хилл, США (42° с.ш., 288° з.д.). На рис. 4 показан суточный ход МВ 4 октября 2002 г. Результаты наших расчетов по данным ИРНР даны на левой панели, справа - данные радара Миллстоун-Хилл [8]. Как видно, динамика МВ в целом имеет хорошее согласие, различие состоит только в амплитуде вариаций, что, скорее всего, связано с разной геомагнитной широтой радаров и, возможно, с различными параметрами нейтрального ветра в двух полушариях. Величины //с(Т и VSH (vertical scale height) в данном сравнении можно считать эквивалентными параметрами, так как они рассчитываются анадогично.

Irkutsk

Millctona Hill

£ 200 «

S

M

200

IP

£

X

100

12

LMal Ttnw

1S

U

LT

Рис. 4. Сравнение MB по данным ИРНР и Миллстоун Хилл.

В разделе 3.2 рассматриваются вариации высоты перехода О'/Н' в зависимости от сезона, уровней солнечной и геомагнитной активности.

Основное влияние на суточный ход ВП 0*УН+ оказывает интенсивность фотоионизации за счет солнечного УФ-излучения. В результате днем идет активное новообразование в Р2-слое и амбиполярная диффузия формирует направленный вверх поток ионов 0\ который увеличивает ВГ1. Ночью фотоионизация прекращается и ионизация поддерживается потоком Н* из плазмосферы, что приводит к снижению ВП. Вариации день-ночь являются регулярными в спокойных условиях для любого сезона. Типичными значениями ВП, согласно методу HPHP-GPS, являются значения 600-800 км для ночи и 1000-1200 км для дня. С повышением уровня солнечной активности значения ВП возрастают.

В рамках исследования влияния геомагнитных возмущений на BI1 0+/Н+ были рассмотрены продолжительные эксперименты, полученные весной 212 апреля и осенью 1-10 октября 2002 г. На рис. 5 представлены результаты расчетов для 1-10 октября 2002 г. На верхней панели показана ВП 0+/Н+, на нижней - электронное содержание плазмосферы (штриховая кривая) и ПЭС GPS (сплошная кривая на нижней панели). Приведены также параметры геомагнитной активности (3-часовые Ар-индексы) и дневные индексы Л 0.7, характеризующие солнечную активность. Видно, что на протяжении всего эксперимента происходит повышение значений индекса F10.7 от 140 до -180 и, как следствие, повышение среднесуточных значений йт (верхняя панель).

Данные расчетов по методу HPHP-GPS показывают положительную корреляцию ВП с уровнем солнечной активности, а также ее изменение вследствие влияния нейтрального ветра, дрейфа плазмы вдоль геомагнитных трубок во время геомагнитных возмущений и вследствие разницы условий в сопряженных областях ионосферы.

i 5

Высота перехода 0+/Н+

01

/у \

?ч л , .

■ V-í/ W *

ч-

02

-h

03

Октябрь 2002г.

04 05 06 07

03

09

10

24 48 72 96 120 144 168 192 216 240

J а

i

Ш ■■• Í

Ар

МТ*к Гг 4

яЖШЬиЖЖ.

24 48 72 96 120 144 168 192 216 240

F10.7

24 48 72 96 120 144 168 192 216 240

1ZO 144 Местное время

Рис. 5. Высота перехода 0*/Н* во время сильных геомагнитный возмущений 1-10 октября 2002 г.

Анализ абсолютного вклада электронного содержания штазмосферы (ТЕСЪ) в полное электронное содержание (TECa?s) привел к следующим соотношениям: для дней осеннего и весеннего равноденствий этот вклад составляет около 25 % для ночных часов и 10-15 % для дневного времени. В периоды солнцестояния вклад плазмосферы может достигать ~50 % вследствие того, что ВП определяется б большей степени потоком из сопряженной ионосферы и нейтральным ветром, чем характеристиками диффузионного потока.

В разделе 3.3 сравниваются результаты измерений ВП по методу ИРНР-GPS с результатами других моделей - как теоретических, так и основанных на данных других измерений.

На сегодняшний день возможность сравнения с прямыми результатами измерений на низкоорбитальных спутниках практически отсутствует, так как такие измерения проводятся лишь на спутниках DMSP и C/NOFS CINDI [9].

За сутки с этих спутников можно получить лишь несколько значений ВП для нашего региона, причем в основном в утренние и вечерние часы, когда происходит перестройка структуры ионосферы.

В связи с этим единственной реальной возможностью верификации модели ИРНР-GPS является сравнение наших результатов с другими моделями, разработанными на основе других экспериментальных данных и теоретических расчетов. В настоящее время существует несколько теоретических и полуэмпирических моделей состава внешней ионосферы. Наиболее развитыми являются модели TTS (названная так по фамилиям авторов: Triscova, Truhlik , Smilauer) [10], модель FLIP (Field Line Ionosphere Plasmasphere) [11, 12], a также модель, разрабатываемая в ИСЗФ СО РАН группой A.B. Тащилина [13, 14]. Из полуэмпирических моделей можно выделить модель Данилова и Яичникова DY-85 [15].

На рис. 6 представлено сравнение наших расчетов ВГ1 с данными моделей DY-85 и TTS-03. Эти модели являются опциями модели 1RI-2012, поэтому расчеты были проведены с использованием онлайн-версии модели.

Видно, что модель TTS завышает значения ВП, что, возможно, вызвано заданием коэффициента, определяющего уровень солнечной активности.

UT

Рис. 6. Сравнение результатов методики HPHP-GPS с расчетами по моделям DY-85 и TTS-03 для 1 октября 2002 г., F10.7=140.

Кроме того, не всегда зависимость ВП 0+/Н+ от индекса FIO.7 является линейной. В тоже время достаточно приемлемое сходство с моделью DY-85 нельзя назвать хорошим результатом, так как модель довольно старая и влияние солнечной активности в ней почти не учитывается.

Кроме сравнения результатов метода HPHP-GPS с модельными данными, была сделана попытка сравнения с прямыми спектральными измерениями ионного состава, которые проводятся на ИРНР. Сложность заключается в том, что эти измерения проводятся только до высоты -700 км. До таких значений ВП 0+/Н+ может опускаться только в ночные часы при низкой солнеч-

ной активности, а для дневных измерений она обычно остается не доступной для измерений. Чтобы получить значения выше 700 км, мы использовали линейную экстраполяцию данных.

На рис. 7 показано сравнение значений ВП, полученных по методу ИРНР-ОРБ и экстраполированных данных спектральных измерений ИРНР. Видно, что суточный ход в целом одинаков, значения отличаются на 100-200 км, в некоторых случаях до 400 км. Следует отметить, что в тех случаях, когда спектральные измерения ИРНР дают значения /гт ниже 700 км, данные являются прямыми измерениями ВП (без аппроксимации). Видно также, что, при таких значениях данные метода ИРНР-ОРв и данные спектральных измерений неплохо согласуются для невозмущенных дней 1-3 октября 2002 г. В целом мы считаем, что данное сравнение подтверждает возможность оценки ВП 0+/Н+ с использованием предложенной в рамках данной диссертационной работы методики ИРИР-ОРв.

Рис. 7. Высота перехода 0+/Н+ по данным HPHP-GPS и спектральных измерений ИРНР для 1-10 октября 2002 г.

Еще одной возможностью проверки наших результатов является сравнение с данными спутников внешнего зондирования. К сожалению, такие данные доступны только до 1985 г. (Алуэтт-1, 2 и Исис-1, 2). С 2006 г. доступны данные со спутников программы FORMOSAT-3/COSMIC [16]. Стоит отметить, что при получении ВП по данным внешнего зондирования разные группы авторов использовали различные подходы. По методу Веба [17] ВП получается по данным внешнего зондировании путем вписывания в экспериментальный профиль электронной концентрации диффузионно- равновесного профиля ионов 0+ и Н+. Подход Маринова-Кутиева [18] основан на получении профиля 0+ с использованием градиента электронного профиля в нижней части внешней ионосферы вблизи максимума слоя F2 аналогично используемому нами методу определения MB.

Сравнение ВП 0+/Н+, получаемой по теоретической модели FLIP с данными внешнего зондирования (рис. 8) показывает, что метод Веба хорошо согласуется с моделью FLIP, а метод Маринова-Кутиева дает более низкие значения для дневных часов. Согласно модели FLIP и методу Веба, дневные значения ВП достигают 1500-2000 км при низкой солнечной активности и 3000-4000 км при высокой. Ночные значения ВП колеблются от 500 км при низкой активности Солнца до 800-1000 км при высокой.

1977 1978 1979 1980 year

аооо 6000

1979 year

Рис. 8. Сравнение высоты перехода 0+/Н+ по данным модели FLIP и двум методам внешнего зондирования Веба и Маринова [9].

Согласно методу Маринова, ВП имеет значения 600-700 км ночью и 800-1000 км днем в зависимости от уровня солнечной активности. Согласно теоретической модели A.B. Тащилина, дневные значения ВП для умеренной солнечной активности составляют 1000 км в ночные часы и 2200 км днем. Такие значения близки данным модели FLIP, полученным для 1978-1979 гг.

Возможными причинами существенного различия самосогласованных теоретических моделей с данными эмпирических моделей может служить недооценка либо переоценка значений нейтрального ветра. Очевидно, что условие диффузионного равновесия обычно не выполняется в ионосфере, и если модель не учитывает реальный нейтральный ветер и реальные потоки ионов, значения высоты перехода будут завышены. Однако в отсутствие прямых измерений Ат данный вопрос остается дискуссионным.

В апреле 2006 г. на орбиту были выведены шесть микроспутников FORMOSAT-3 в рамках совместного проекта США-Тайвань по исследованию атмосферы (COSMIC). С помощью этих экспериментов можно восстанавливать вертикальные профили электронной концентрации [16]. Глобальная карта значений ВП 0+/Н+, полученных по этим профилям, показана на рис. 9 для четырех сезонов года.

Белой пунктирной линией проведена геомагнитная широта, на которой располагается радар ИРНР. Видно, что ночные значения на нашей широте составляют в среднем 500-600 км, а дневные - 800-1000 км в зависимости от сезона года при низкой солнечной активности, (2006-2007 гг).

Рис. 9. Высота перехода 0+/Н+ как функция геомагнитной широты и локального времени, построенная по данным измерений на спутниках FORMOSAT-3 программы COSMIC.

В разделе 3.4 сформулированы основные выводы, полученные в главе 3. Отмечается, что метод HPHP-GPS дает значения ВП 0+/Н+, близкие эмпирическим моделям, основанным на данных внешнего зондирования и данных радиозатменных экспериментов FORMOSAT-3/COSMIC. Эти значения ВП обычно ниже результатов самосогласованных моделей, использующих условие диффузионного равновесия.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана модель области перехода между ионосферой и плазмо-сферой, учитывающая распределение парциальных концентраций ионов атомарного кислорода и атомарного водорода через масштабную высоту переходной области.

2. На основе разработанной модели, а также совместного использования данных Иркутского радара некогерентного рассеяния и карт полного электронного содержания GPS разработан метод определения высоты перехода 0+/Н+.

3. На основе данного метода проведены расчеты высоты перехода 0+/Н+ и масштабной высоты внешней ионосферы для Восточно-Сибирского региона. Проведены исследования их суточной и сезонной динамики в зависимости от уровня солнечной и геомагнитной активности в 1998-2005 гг.

4. Показано, что вклад электронного содержания плазмосферы в ПЭС может составлять до -50 % ночью и до 30 % днем. Типичные значения электронного содержания плазмосферы составляют 10-15 %.

5. Исследования масштабной высоты ионов 0+ показали, что при анализе динамики этого параметра необходимо четко разделять диффузионный компонент и вклад внешних динамических процессов, таких как увлечение нейтральным ветром и динамика потока из сопряженной ионосферы, который сравним с вкладом диффузии.

6. Показано, что высота перехода OVH+ имеет четко выраженную суточную динамику с характерными уровнями для дневной и ночной ионосферы. ВП увеличивается с увеличением солнечной активности и в основном определяется динамикой ионов атомарного кислорода, которые более подвержены увлечению термосферным нейтральным ветром. В условиях геомагнитных возмущений ВП изменяется разнонаправленно в зависимости от направления потока плазмы вдоль геомагнитного поля.

7. Проведено сравнение результатов расчетов по методу HPHP-GPS с данными других полуэмпирических и теоретических моделей, которое показало хорошее количественное соответствие с полуэмпирическими моделями.

8. Большинство полуэмпирических моделей, включая метод HPHP-GPS, дает более низкие значения высоты перехода по сравнению с теоретическими моделями, предполагающими состояние диффузионного равновесия плазмы в рассматриваемом диапазоне высот.

Список цитируемой литературы

1. Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В., Носов В.Е., Потехин А.П., Шпынев Б.Г. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. - 2002. - Т. 47, № 11. - С. 1339-1345.

2. Potekhin А.Р., Medvedev A.V., Zavorin A.V. et al. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar // Geomagnetism and aero-nomy. - 2009. - V. 49, Iss. 7. - P. 1011-1021.

3. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization // Radio Sci. - 2004. - V. 39, № 3. - RS3001, doi: 10.1029/2001RS002523.

4. Шпынев Б.Г., Воронов A.JI. Минимизация нелинейного функционала невязки в задачах потоковой обработки экспериментальных данных // Вычислительные методы и программирование. - 2013. - Т. 14. - С. 503-515.

5. Strangeways H.J., Kuticv I., Cander L.R. et al. Near-Earth space plasma modeling and forecasting // Annals of Geophysics. - 2009. - V. 52, № 3/4.

6. Gonzalez S.A., Sulzer M.P., Nicolls M.J. Solar cycle variability of nighttime topside helium ion concentrations over Arecibo // J. Geophys. Res. -2004. - V. 109. - A07302. - doi: 10.1029/2003JA010100, 2004.

7. Шпынев Б.Г., Жеребцов Г.А., Тащилин А.В., Хабитуев Д.С., Щербаков А.А. Анализ состояния среднеширотной внешней ионосферы по данным измерений на Иркутском радаре HP // Солнечно-земная физика. - 2010. -№ 16.-С. 15-20.

8. Liu L., Wan W., Zhang M.-L. et al. Variations of topside ionospheric scale heights over Millstone Hill during the 30-day incoherent scatter radar experiment // Annales Geophysicae. - 2007. - V. 25. - P. 2019-2027.

9. Truhlik.V., Bilitza.D., Triscova.L. Towards better description of solar activity variation in the International Reference Ionosphere topside ion composition model // Adv. Space Res. - 2014. - doi: 10.1016/j.asr.2014.07.033

10. Triscova L., Truhlik V., Smilauer J. An empirical model of ion composition in the outer ionosphere // Adv. Space Res. - 2003. - V. 31, № 3. - P. 653-663.

11. Torr M.R., Ton D.G., Richards P.G., Yung S.P. Mid- and low-latitude model of thermospheric emissions 1 0+(2P) 7320 A and N2(2P) 3371 A. // J. Ge-ophys. Res. - 1990. - V. 95. - P. 21147-21168.

12. Webb P.A., Essex E.A. A dynamic diffusive equilibrium model of the ion densities along plasmaspheric magnetic flux tubes // JASTP. - 2001. - V. 63. -P. 1249-1260.

13. Тащилин A.B., Романова Е.Б. Моделирование свойств плазмосферы при спокойных и возмущенных условиях // Геомагнетизм и аэрономия. -2014. - Т. 54, №1.-С. 1-10.

14. Tashchilin A.V., Romanova Е.В. Numerical modeling the high-latitude ionosphere // Proceeding of COSPAR Colloquia Series. - 2002. - V. 14. - P. 315-325.

15. Danilov A.D., Yaichnikov A.P. A new model of the ion composition at 75 to 1000 km for IRI // Adv. Space Res. - 1985. - V. 5, № 7. - P. 75-79.

16. Yue X., Schreiner W.S., Lei J. et al. Climatology of ionospheric upper transition height derived from Cosmic satellites during the solar minimum of 2008 // JASTP.-2010.-V. 72.-P. 1270-1274.

17. Webb P.A., Benson R.F., Grebowsky J. Altitude variations of middle-latitude ionospheric electron-density profiles // Adv. Space Res. - 2006. - V. 37. -P. 951-957.

18. Marinov P., Kutiev I., Watanabe S. Empirical model of 0+-1Г transition height based on topside sounder data // Adv. Space Res. - 2004. - V. 34. -P. 2021-2025.

Отпечатано в издательском отделе ИСЗФ СО Заказ № 160 от 24 декабря 2014 г. Объем 24 с. Тираж 150 экз.