Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Статистические характеристики и механизмы образования провалов в концентрации ионов He + на высотах верхней ионосферы

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Статистические характеристики и механизмы образования провалов в концентрации ионов He + на высотах верхней ионосферы"

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИИ ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ » ^ л „ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН г' « ОД

2 ит 2000

На правах рукописи УДК 550.388.2

СИДОРОВА Лариса Николаевна

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОВАЛОВ В КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ Не+ НА ВЫСОТАХ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2000

„ У

И*

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук, АЛ. Карпачев

доктор физико-математических наук, Ю.Я. Ружин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Г.С. Иванов-Холодный (ИЗМИРАН)

кандидат физико-математических наук,

В.В. Афонин (Институт космических исследований (ИКИ), г. Москва)

Ведущая организация:

Институт прикладной геофизики (ИПГ)

Защита диссертации состоится "27" июля 2000 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д.002.83.01 в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук по адресу: 142092, г.Троицк Московской области, Калужское шоссе, ИЗМИРАН. Проезд автобусом №531 от ст. метро «Теплый стан» до остановки «ИЗМИРАН». -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН. Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук О.П. Коломийцев

оО 2 94. 6-//? о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и современное состояние проблемы.

Провал в легких ионах Н+ и Не* (ПЛИ) является индикатором сваториальной плазмопаузы на высотах верхней ионосферы, по динамике ЛИ можно проводить мониторинг плазмопаузы. Однако, если анализу, в том юле статистическому, характеристик плазмопаузы посвящено большое шичество работ, ПЛИ же исследовался, в основном, на отдельных примерах, оэтому большинство характеристик ПЛИ до сих пор изучено недостаточно )рошо, они, как правило, описываются качественными, сугубо приближенными ормулировками, как например: «ПЛИ чаще наблюдается в ночных условия, ;м в дневных». Относительно некоторых характеристик ПЛИ вообще нет 1иной точки зрения, например, часть авторов считает, что ПЛИ с ростом агнитной активности становится глубже и наблюдается чаще, а другая часть г видит существенных изменений в структуре ПЛИ при изменениях магнитной гтивности. Не существует даже общепринятого определения ПЛИ, часто под ой структурой понимают резкое падение концентрации легких ионов на иротах плазмопаузы, без полярной стенки. Характеристики ПЛИ феделяются вариациями концентрации легких. ионов на средних и моральных широтах^ Анализ литературы показывает, что даже суточные и ¡зонные вариации концентрации Н+. и Не+ в верхней ионосфере изучены (столько слабо, что на них не удается опереться при исследовании ютветствующих вариаций характеристик ПЛИ. Поэтому при исследовании 1И приходится решать сразу две задачи - сначала выделять вариации эновых концентраций ионов Н+ или Не", а затем на их основе проводить 1ализ поведения ПЛИ.

О субпровалах в легких ионах известно еще меньше, чем о ПЛИ. Они были 1наружены в отдельных случаях экваториальное ПЛИ во время сильных «мущений, и глубоко в плазмосфере (на 1. ~ 1.5) в спокойных условиях, 'бпровалы в концентрации легких ионов регистрируются в очень большой лосе широт (~ 25-57°Ф) и потому явно связаны с разными механизмами !разования. Однако редкие, внесистемные попытки обнаружить эти ¡ханизмы еще сильнее запутывают картину, поскольку часто провал одного

типа за время наблюдений плавно переходит в провал другого типа, с совершенно другими характеристиками. Субпровалы, наблюдаемые во внутренней плазмосфере, по-видимому, образуются в магнитоспокойные периоды времени, хотя обоснованных механизмов для их формирования в условиях достаточно стабильной внутренней плазмосферы предложено не было. Более высокоширотные субпровалы, безусловно, являются проявлением динамических процессов, протекающих во внешней плазмосфере во время возмущений. В последнее время исследованию механизмов бурь и суббурь уделяется огромное внимание. Однако, подавляющее большинство этих иследований относится к удаленным областям магнитосферы. Этот акцент в новейших исследованиях околоземного пространства частично связан с ошибочным представлением о том, что его более близкая часть, т.е. ионосфера, изучена достаточно хорошо. Как было сказано выше, это далеко не так и потому существующие пробелы в исследованиях должны быть устранены. Обширный материал, накопленный за более чем 30 лет спутниковых наблюдений, позволяет это сделать. Так, например, банк данных спутника «1Б8-Ь» содержит измерения концентрации ионов 0+, Не+ и Н+, полученных вдоль ~1100 орбит, что составляет около 4000 пролетов спутника над среднеширотной и высокоширотной ионосферой обоих полушарий для разных условий. Этого вполне достаточно для решения многих задач. Однако эти данные в течение 22 лет после запуска спутника использовались редко. Более того, немногочисленные публикации по данным «ЮБ-Ь» относились в основном к экваториальным широтам.

Итак, исходя из вышеизложенного, цепью исследования является:

1. Выделение и классификация разных типов провалов в концентрации ионов Не" на основе системного анализа достаточно большого массива данных спутника «(БЭ-Ь».

2. Выявление зависимости вероятности наблюдения ПЛИ и субпровалов концентрации Не*, от широты, долготы, местного времени, сезона и уровня геомагнитной активности.

3. Исследование вариаций концентрации Не* в области провалов в зависимости от местного времени, сезона, долготы и магнитной активности.

4. Интерпретация и разработка возможных механизмов формирования субпровалов разных типов.

Научная новизна настоящей работы состоит в том, что: 1. Впервые на основе системного анализа большого массива данных спутника «188-Ь» проведена четкая классификация разных типов провалов в концентрации Не4.

2. Впервые на основе статистического анализа данных спутника «(БЭ-Ь» обнаружены и детально исследованы ранее неизвестные вариации вероятности наблюдения (Р) ПЛИ и субпровалов в зависимости:

- от времени суток для летних/зимних условий; , с *

- от сезона в ночных/дневных условиях, обнаруживающие ночные равноденственные максимумы Рдля ПЛИ;

- от долготы в ночных условиях для обоих полушарий, выявляющие сильную асимметрию полушарий;

- от широты для зимних ночных и летних дневных условий.

Получена зависимость величины Рдля ПЛИ и «высокоширотных» субпровалов от уровня геомагнитной активности.

3. Детально исследованы слабо или совсем неизученные вариации концентрации Не+, определяющие вариации величины Р для провалов обоих типов, и выделены в зависимости: от времени суток, сезона и долготы на средних, субавроральных и авроральных широтах. Выявлено, что

- вариации величины Рдля субпровалов зависят и определяются вариациями фоновой концентрации Не* в первом приближении;

- вариации величины Рдля ПЛИ определяются главным образом вариациями [Не+] на полярной стенке, в большей степени вариациями [Не+] - в минимуме и в меньшей степени - на экваториальной стенке;

- вариации [Не+] зависят, в свою очередь, от вариаций концентрации О*.

4. Найдены возможные причины формирования субпровалов разных типов.

- Предложена качественная интерпретация формирования высокоширотных субпровалов механизмом образования «плазменных хвостов» в периоды возмущений и механизмом кольцевых ионосферных провалов (КИП).

- Выявлена роль электрических полей магнитосферного происхождения в формировании субпровалов.

- Разработана схема механизма образования крайне низкоширотных субпровалов, связанная с динамикой экваториальных «баблов» (bubbles).

- Детально разработан механизм образования субпровалов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф, связанный с выносом легких ионов из летнего полушария в зимнее.

Личное участие. Автору принадлежит статистическая обработка данных спутника «ISS-Ь», участие в анализе полученных результатов, а также интерпретация и разработка механизмов формирования субпровалов.

Практическая и научная значимость работщ. Результаты статистического анализа сезонных, суточных, широтных и долготных вариаций [Не*] представляют в совокупности достаточно полную картину распределения концентрации на средних, субавроральных и авроральных широтах верхней ионосферы, которая может использована для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований околоземного пространства. Обнаружение сильной зависимости вариаций Не* от вариаций 0+ является убедительным экспериментальным подтверждением тесной связи между верхней и нижней ионосферой. Кроме того необходимо отметить, что изучаемые вариаций [Не+] на высотах верхней ионосферы определяют соответствующие вариации на плазмосферных высотах и влияют на генерацию и распространение ионно-циклотронных волн. Обнаружение свыше 500 субпровалов за 1.5 года работы спутника «ISS-Ь» резко меняет и расширяет наши представления о процессах, имеющих место в верхней ионосфере как в возмущенных, так и в спокойных условиях. Наконец, результаты статистического анализа характеристик ПЛИ позволяют существенно уточнить механизмы его образования, а, следовательно, более точно отобразить процессы магнитосферно-плазмосферно-ионосферной связи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Ранее неизвестные статистические характеристики провалов в концентрации Не\ выделенные и исследованные по данным спутника «ISS-Ь» на высотах 1000-1200 км:

а) Вариации вероятности наблюдения ПЛИ и субпровалов в зависимости:

от времени суток для летних и зимних условий, от сезона для ночных и дневных условий,

от долготы для ночных зимних и летних условий обоих полушарий.

б) Вариации вероятности наблюдения субпровалов в зависимости-.

от широты для зимних ночных и летних дневных условий,

в) Вариации вероятности наблюдения ПЛИ в зависимости

от уровня геомагнитной активности) 1

2. Ранее неизвестные статистически выделенные й детально исследованные вариации концентрации ионов Не+ в области средних, субавроральных и авроральных широт в зависимости:

- от времени суток, сезона и долготы. Обнаружение сильной зависимости вариаций Не+ от вариаций О*.

3. Результаты исследования возможных причин образования субпровалов, состоящие:

а) в качественной интерпретации образования высокоширотных субпровалов механизмами «плазменных хвостов» и кольцевых ионосферных провалов (КИП) - эффективными в разных секторах местного времени.

б) в качественном описании механизма образования крайне низкоширотных субпровалов, связанного с развитием плазменных экваториальных «баблов».

в) в разработке механизма, связанного с оттоком легких ионов из летнего полушария в зимнее, для объяснения образования субпровапов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф в спокойных геомагнитных условиях.

Апробаиия результатов и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на I Евроазиатском Симпозиуме по космическим наукам и технологиям (Тубитак, Турция, 1993 г.), на Интернациональном Симпозиуме по проблемам спутниковых исследований магнитосферных и ионосферных процессов (Москва, ИЗМИРАН, 1995 г.), на XXXI Научной Ассамблее COSPAR (Бирмингем, Великобритания, 1996 г.), на VIII Научной Ассамблее IAGA (Уппсала, Швеция, 1997), на двух

Интернациональных конференциях по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург. 1996, 1998), на Генеральной Ассамблее СОЭРАЯ (Нагойя, Япония,

1998), на XXII Генеральной Ассамблее ИЮв (Бирмингем, Великобритания,

1999), а также на научных семинарах и Учёном Совете ИЗМИРАН. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Материалы диссертации использованы в научных отчётах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 47*5 машинописных страниц текста, в том числе 54 рисунка и две таблицы. Список цитируемой литературы включает (37 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научным руководителям кандидату физико- математических наук А.Т. Карпачёву, под руководством которого была сделана основная часть работы, доктору физико-математических наук Ю. Я. Ружину за постановку задачи и обсуждение ряда проблемных вопросов, нашедших отражение в диссертации, доктору физико-математических наук М. . Г. Деминову и профессору Дж. М. Гребовскому (США) за обсуждение механизмов формирования субпровалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приводятся сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов, перечислены положения, выносимые на защиту.

Глава I. Экспериментальные и теоретические исследования поведения концентрации Не* на разных широтах верхней ионосферы (Обзор)

В I главе даётся обзор и анализ современного состояния исследуемой темы, выделяются её нерешенные задачи.

Так, §§1.1-1.3 посвящены обзору работ по изучению поведения основных ионных компонент верхней ионосферы - Не+, Н+ и О* по данным

многочисленных ракетных и спутниковых измерений. При анализе основное внимание уделяется иону Не+, подобию его характеристик характеристикам иона Н11 и его взаимосвязи с ионами О*. Рассматриваются широтные, суточные, сезонные и долготные вариации [Не*] ([Н*]) в области экваториальных, низких, средних и высоких широт. Показана зависимость концентрации ионов Не* от солнечной активности и их доминирование , в период максимума активности. Подчеркивается необходимость детального рассмотрения поведения фоновой концентрации Не*, диктуемая задачами работы, для выполнения которых требуются знания характеристик фона, на котором формируются провалы и субпровалы концентрации Не*.

В §1.4 даются общие представления о характеристиках средиеширотного провала в лёгких ионах (ПЛИ) и показана их зависимость от сезона, времени суток, уровня магнитной активности и долготы. Рассмотрены механизмы формирования ПЛИ на основе идеи застоя магнитосферной конвекции и недозаполненности магнито-силовых трубок. В §1.5 приведены малочисленные сведения о более низкоширотных, чем ПЛИ, субпровалах в [Не*]([Н*]), наблюдаемых всего в полутора десятках случаев в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях.

В результате обзора и анализа литературы выявлено, что отдельные вопросы экспериментального и теоретического исследования характеристик ПЛИ, субпровалов, а также фоновой концентрации Не* (Н*), изучены слабо, а некоторые проблемы находятся еще на этапе становления. Например, до сих пор не-существует однозначного определения для провала в легких ионах (ПЛИ). Это затрудняет изучение ПЛИ и может привести к противоречивым выводам. С проблемой определения ПЛИ тесно связана проблема разделения ПЛИ от других провалов, в частности, от высокоширотного провала и субпровала.

Однако, наиболее важный вывод обзорной главы состоит в том, что исследование морфологических характеристик провалов, как правило, осуществлялось на качественном уровне, на основе анализа отдельных случаев («case study»). Статистические исследования почти не проводились, или проводились на небольшой выборке. Между тем за 30 лет спутниковых исследований накопился большой массив данных, который может и должен быть использован для изучения статистических характеристик провалов и, в

первую очередь, в исследованиях вероятности наблюдения (Р) провалов в разных геофизических условиях.

Глава И. Выделение ПЛИ и субпровалов в концентрации ионов Не* по данным спутника "ISS-b"

Предварительный анализ данных спутника «ISS-b» показал, что на высотах 1000+1200 км в концентрации Не* (Н*) наблюдаются как «высокоширотные» провалы, так и ПЛИ, и субпровалы. Причём, все провалы фиксируются в большой полосе широт без каких-либо видимых переходов и их, зачастую, очень трудно отличить друг от друга. Более того, ранее показывалось [Taylor, Grebowsky, Chen, 1975] как один тип провала на последовательно взятых витках спутника может постепенно переходить в другой тип. Следовательно, наблюдаемый массив провалов образует собой некую сложную систему, все элементы которой тесно связаны между собой характеристиками, а, возможно, и механизмами образования. И для анализа такой системы необходим системный подход.

Суть системного анализа состоит в исследование характеристик каждой части целого строго в связи с другими элементами целого. Такой подход основан на четком понимании того, что в столь широкой полосе широт, безусловно, действуют разные механизмы, и наблюдается не один тип, а нескопько типов провалов, наборы характеристик которых пересекаются. Необходимость подобного подхода диктуется тем, что анализ отдельных элементов структуры вне связи с остальными, как показывает опыт, либо не дает результатов вообще, либо еще сильнее запутывает общую картину неоднородной структуры внешней ионосферы.

Со времени обнаружения ПЛИ существует неоднозначность в его определении. Часто под ПЛИ понимали просто резкое падение концентрации к широтам ппазмопаузы [Taylor, 1972] без последующего роста на полярной стенке. Другие авторы [Raitt, Doriing, 1976] предлагали структуру с крутым обрывом концентрации, но без полярной стенки, считать самостоятельной и определять как «cliff» (резкий спад) концентрации, а под ПЛИ понимать структуру, обязательно имеющую высокоширотную полярную стенку. Автор работы разделяет вторую точку зрения - более определенную и узкую. Опираясь на неё были разработаны «рабочие» определения ПЛИ и субпровала

в лёгких ионах [вйогоуэ, КаграсЪ^, 1999(а,б); Карпачев, Сидорова, 2000], которыми автор руководствовался в дальнейших исследованиях:

«Среднеширотный провал в легких ионах (ПЛИ) - это структура с резким падением (на один-два порядка величины) концентрации ионов Н* и Не* э полосе широт 15°-20° внешней плазмосферы, которое переходит в увеличение концентрации полярнее плазмопаузы. Увеличение может быть небольшим, но оно должно четко фиксироваться, тем самым однозначно определяя положение минимума провала.

«Субпроеал в концентрации легких ионов (Не*. Н*) - это структура с падением концентрации в три раза и более, которое наблюдается в полосе широт 5°-10° экваториальнее ПЛИ».

Безусловно, данное определение ПЛИ сужает круг рассматриваемых структур, поскольку требует обязательного наличия полярной стенки и это должно сказаться на статистических результатах. Однако, это сделано намеренно, для того, чтобы иметь дело только с четко определяемыми структурами.

Для решения задачи классификации провалов была разработана методика их разделения. Были использованы тщательно подобранные модели экваториальной границы авроральных диффузных высыпаний, модели внутренней (ррм) и внешней плазмопаузы (ррв*)- В результате был выделен массив «высокоширотных» провалов, расположенных внутри аврорального овала. Поскольку на спутнике «188-Ь» одновременных измерений молекулярных ионов не проводилось, выделение «высокоширотных» провалов достигалось на основе точного знания границ аврорального овала. В сложных случаях (околополуночные часы, возмущения) разделение провалоа осуществлялось по дополнительным критериям: по предыстории, по расположению, по форме провалов.

Был выделен большой массив ПЛИ в [Не*]. При фиксированной магнитной активности ПЛИ наблюдались в полосе широт 6-8° вблизи внутренней плазмопаузы, положение которой практически не зависит от времени суток. Таким образом, показано, что ПЛИ формируются на границе, которая отделяет внутреннюю, стабильную часть плазмосферы от ее внешней части, которая определяется динамикой возмущений. В дневные и вечерние часы было

обнаружено несколько случаев ПЛИ в [Не*], расположенных на широтах внешней, классической плазмопаузы. Последнее свидетельствует о том, что на высотах 1000-1200 км в суточном ходе ПЛИ в среднем не обнаруживается ни дневной, ни вечерней выпуклости.

Наконец, в результате разделения провалов впервые на *-4000 пролетах спутника выделено ~570 случаев наблюдения субпровалов в (Не*]. Тем самым показано, что субпровалы в концентрации лёгких ионов не являются столь редким явлением, как это можно было заключить из выводов более ранних исследований.

Особенности характеристик провалов в [Не*] в зависимости от уровня геомагнитной возмущённое™ являются прямым указанием на разницу в механизмах формирования каждого типа провалов. В §2.3 при детальном исследовании зависимости широтного положения ПЛИ от Кр обнаружено, что ПЛИ на высоте -1100 км, расположенные вблизи внутренней плазмопаузы, с ростом Кр смещаются к экватору вместе с плазмопаузой. Обнаружено, что их вероятность наблюдения слабо зависит от магнитной активности: при всех значениях Кр- индекса она практически неизменна в ночных зимних условиях, а в дневных летних условиях при Kpâ5 даже наблюдается тенденция к падению значений Р. Впервые исследована зависимость широтного положения субпровалов от Кр-индекса и показано, что она довольно слабая. Показано также, что характеристики ПЛИ и субпровалов в [Не*] при Кр=1-3 резко различаются, что и позволяет легко разделить их. Эта проблема становится сложнее с -ростом магнитной активности, когда разные провалы могут наблюдаться в одной и той же полосе широт. Однако, и в этих случаях провалы можно без труда различить, если знать предысторию развития каждого.

Глава III. Суточные и сезонные вариации вероятности наблюдения провалов в концентрации Не*

Статистический подход в изучении провалов в [Не*] оказался возможным благодаря выделению достаточно большого массива данных. Например, при исследовании сезонных вариаций Р в ночных условиях (24±4LT) были использованы 775 случаев наблюдения ПЛИ и 287 случаев субпровалов, а в дневных условиях (12±4LT) 270 и 185 случаев, соответственно. При анализе

и

иногда возникала ситуация, когда структура провала могла чётко идентифицироваться только на нескольких последовательных витках, а на очередном витке какой либо критерий провала нарушался (например, полярная стенка превращалась в изрезанное неоднородное плато). Случаи, где идентификация провалов была неоднозначна или спорна, были отнесены к «квазипровалам», число которых определяло точность выделения провалов. Для ПЛИ ошибка выделения в среднем составила 5-7%, а для субпровалов ошибка не превышала 2-4%.

Было обнаружено, что суточные и сезонные вариации Р ПЛИ имеют, во многом, неожиданный характер, поскольку не совпадают с теми, которые можно предположить из предыдущих наблюдений. Обнаружено, что в ночных условиях величина Р для ПЛИ несколько выше зимой (Р-40-60%), чем летом (35-55%) и достигает максимумов в периоды равноденствий (до 80-90% в марте). Величина Р для субпровалов уменьшается от -30% зимой до 5-10% летом, показывая равноденственные минимумы. А в дневных условиях ПЛИ, против ожидания, довольно часто наблюдаются летом (Р~30%) и очень редко зимой (Р=5-10%). Точно также субпровалы хотя и не часто, но стабильно наблюдаются летом (Р=7-12%), редко зимой (Р= 2-3%) и полностью отсутствуют в равноденствия.

При исследовании суточных гистограмм Р провалов оказалось, что ПЛИ чаще наблюдаются ночью (Р=40-60%), чем днем (Р=10-30%). Субпровалы в зимнее время чаще наблюдаются в послеполуночные часы, а летом - в послеполуденные и вечерние.

Причины несовпадения полученных результатов с предполагаемыми, по всей видимости, следующие. Во-первых, при анализе рассматривались только четко определяемые структуры, отобранные в согласии с приведёнными выше определениями провалов. Следовательно, разница в определениях провалов сказалась на разнице в статистических результатах. Во-вторых, ранее статистические исследования вероятности наблюдения (Р) провалов не проводились, а качественный анализ позволял формулировать только приближенные заключения, например: "провал в легких ионах наблюдается чаще ночью и зимой, чем летом и днем" или "с ростом магнитной активности хорошо выраженный провал появляется чаще". Очевидно, что такие формулировки не могли содержать сведений о, например, равноденственных

максимумах величины Р. Наконец, полученные ранее выводы относились, как правило, к провалу в [Н*], поскольку ион Н* легче регистрировать. Поведение же ионов очень сильно различается, так как различаются те процессы (ионообразование, рекомбинация, диффузия), где они участвуют. Поэтому вполне объяснимо, что и по форме, и по положению провалы в [Н*] и [Не*] могут сильно различаться. И, поскольку проблема подобия вариаций [Н*] и [Не*] в области провалов по-прежнему остается открытой, это означает, что полученные результаты, строго говоря, относятся только к провалам в [Не*].

Для интерпретации полученных суточных и сезонных вариаций Р обоих типов провалов были впервые выделены (поскольку они оказались неисследованными) соответствующие вариации фоновой [Не*] в области провалов. Оказалось, что они в первом приближении определяют вариации величины Рдля субпровалов. Роль фоновых вариаций для ПЛИ проявлялась в меньшей степени на экваториальной стенке, в большей - в минимуме и становилась доминирующей на полярной стенке. Причём, главной особенностью вариаций [Не*] явилась сильная зависимость от поведения ионов О*, которая росла с широтой.

Выделенные закономерности позволили подтвердить и уточнить отдельные положения в механизмах образования ПЛИ. Подтверждено положение о влиянии ионных потоков, следующих из ионосферы в плазмосферу днем и обратно ночью, в образовании экваториальной стенки провала в зимних условиях. По соответствию максимумов вероятности наблюдения ПЛИ росту числа магнитных бурь в периоды равноденствий выявлена определяющая роль процессов опустошения и заполнения силовых трубок в образовании ПЛИ. Выявлено, что образование полярной стенки ПЛИ связано не только с авроральными диффузными высыпаниями, вызывающими рост концентрации, но и с конкурирующим процессом - оттоком ионов под действием полярного ветра. Показано также, что суточные, сезонные вариации [Не*] в области ПЛИ тесно связаны с вариациями [О*], определяемыми уровнем солнечной ионизации, составом атмосферы и характеристиками нейтрального ветра.

По результатам анализа сезонно-суточных вариаций характеристик ПЛИ доказано, что дневной зимний провал является остаточным явлением ночного провала. Он поддерживается оттоком ионов из зимнего полушария в летнее. Показано также, что дневной летний провал формируется при образовании

оторванных плазменных облаков на восстановительной фазе бури, и при росте концентрации в области его полярной стенки относительно минимума концентрации. Последнее определяется разным характером сезонных вариаций [Не*] на экваториальной и полярной стенках ПЛИ вследствие конкуренции между «winter bulge» и полярным ветром.

Глава IV. Долготные вариации вероятности наблюдения провалов в концентрации Не*.

Наличие заметных долготных вариаций в концентрации легких ионов, форме и положении ПЛИ отмечалось и ранее [Taylor, 1971; Iwamoto, 1997], но они до сих пор оставались практически не изученными. Эта глава посвящена детальному исследованию вариаций вероятности наблюдения (Я) для ПЛИ и субпровалов с долготой для ночных зимних и летних условий в с. п. и ю. п..

Рассматривались спокойные (Kps4) околополуночные (20-04LT) условия, когда ПЛИ и субпровалы наблюдались достаточно часто и зимой, и летом. Под «зимой и летом» принимался интервал времени, отсчитанный от соответствующего солнцестояния ±2 месяца. В итога, отобранные данные могли содержать не только вариации с долготой, но и, по-видимому, достаточно сильные вариации с сезоном, местным временем, уровнем солнечной и магнитной активности. Это затрудняло анализ, однако, явилось вынужденной мерой, поскольку спутник «ISS-Ь» имел небольшой объем бортовой памяти и поставлял данные всего с 3-4 витков в сутки. Тем не менее, за полтора года работы был получен достаточный массив данных, позволяющий решить поставленную задачу для ночных условий. Однако, ошибка выделения ПЛИ, как в ю.п, так и в с.п., в среднем составила 12-15%, а для субпровалов -4-5%, что превышало соответствующие ошибки для сезонно-суточных вариаций величины Р.

Южное полушарив. Вариации величины Я для провалов в ночных зимних условиях были получены статистической обработкой 300 витков спутника. Для ПЛИ они изменялись от 35-40% на долготах 300-360° до 75-80% на долготах 90-180е, т.е. в -2 раза. Величина Р для субпровалов изменялась с долготой в ~4 раза (от -10 до ~40%), при этом изменения находились практически в противофазе к вариациям величины Р для ПЛИ. Для анализа летних ночных

условий были использованы 150 витков спутника. Значение Р для ПЛИ изменялось от -20% на долготах 30-60° до 60-65% на долготах 90-120°. То есть величина Рдля ПЛИ летом в среднем была несколько меньше, чем зимой, но с долготой изменялась сильнее. Значение Р для субпровалов достигало -35% на долготах 240-300° и чуть превышало 10% на большинстве остальных долгот, т. е. субпровал также наблюдался реже летом, чем зимой.

Северное попушадив. Для ночных зимних условий были рассмотрены данные на 190 витках спутника. Однако вариации всех параметров были выражены хуже, чем в ю. п., и в первом приближении имели обратный характер. Так, величина Р для субпровалов изменялась всего в 2-2.5 раза и достигала максимума Р~50% на долготах 180-240°. Значение Рдля ПЛИ также изменялась с долготой более слабо - от -40% на долготах 150-240" до -65% на долготах 270-300°. Для анализа летних условий были использованы 280 пролетов спутника. Долготные вариации Р для ПЛИ в летних условиях оказались более сильными, чем зимой. Величина Р для ПЛИ изменялась от -25% на долготах 240-270° до -75% на долготах 180-210 и 270-300°, т.е. в -3 раза (зимой всего в 1.5 раза).

В северном и южном полушариях характер изменений Р обоих провалов снова определялся соответствующими значительными долготными изменениями концентрации ионов Не* в области провалов. Так, субпровал наблюдался тем чаще, чем ниже оказывался уровень фоновой концентрации [Не*] на средних широтах . А рост значений Рдля ПЛИ был связан, в основном, с ростом [Не*] на его полярной стенке.

Долготные вариации Не*, в свою очередь, определись вариациями [О*]. Обнаружено, что долготные вариации [Не*] и [О*] летом на средних широтах антикоррелируют, а во всех остальных случаях коррелируют. Такой характер взаимосвязи между ионами Не* и О* находит качественное объяснение в рамках механизма совместной диффузии этих ионов. Долготные вариации [О*], а, следовательно, и [Не*] определяются целым рядом причин. На средних широтах гпавным является действие нейтрального ветра, дополнительно сказывается зависимость состава и температуры нейтральной атмосферы от долготы. На высоких широтах к этим причинам добавляется действие электрического поля магнитосферной конвекции, высыпаний частиц в области

полярной стенки ПЛИ и прямое воздействие солнечной ионизации (в летних условиях).

Концентрация Не* изменялась с долготой значительно, хотя и менее сильно, чем [О*] (или ЫтР2). В целом, амплитуда долготного эффекта в вариациях концентрации Не* (А=Мтах/Ыт1п) была больше на средних широтах (30-40"Ф) (А~2-4), чем в минимуме и на полярной стенке ПЛИ (А~ 1.7-3). При сравнении разных сезонов амплитуда долготного эффекта [Не*} оказывалась больше зимой, чем летом (на средних широтах А~3.3-4 и 1.7-2.2 соответственно). А при сравнении разных полушарий амплитуда долготного эффекта [Не*] в ю.п. оказывалась больше, чем в с.п. (на средних широтах А-2.2-4 и 1.7-3.3 соответственно).

Полученные результаты указывают на сильную асимметрию между с. п. и ю. п.. Асимметрия проявляется как в вероятности наблюдения провалов, так и в долготно-широтных вариациях концентрации ионов, определяющих структуру провалов. Асимметрия связана, в конечном итоге, с вариациями параметров нейтральной атмосферы (состава, температуры и ветра), характеристик геомагнитного поля (величины, склонения и наклонения) и разницей между геомагнитным и географическим полюсами.

Глава V. Механизмы формирования субпровалов в концентрации

[Не*]

Как следует их проведенных исследований по данным "158-Ь", субпровалы наблюдаются тем чаще, чем ниже фоновая концентрация Не*, а их положение слабо зависит от магнитной активности. Субпровалы регистрируются в большом диапазоне широт от 20-25°Ф до 55-60°Ф, т. е. от областей внешней плазмосферы, претерпевающей очень сильные изменения во время бурь, до глубинных областей внутренней плазмосферы - гораздо более устойчивой и стационарной. Следовательно, характеристики субровалов, обнаруженных во внешней и внутренней плазмосфере, должны различаться.

В первом_разделе гл_авы была определена условная граница между "высокоширотными" субпровалами во внешней плазмосфере и "низкоширотными" во внутренней. За границу была принята предельно низкая широта, до которой возможно сжатие плазмосферы в период очень сильных

бурь (Кр=9) - Ф~45° (L=2). Выявлена зависимость положения высокоширотных субпровалов от Кр-индекса, определяемая уравнением линейной рефессии:

Фсув=55.1о-0.8о-Кр±2.1°, где среднеквадратическое отклонение о~2.1°, а коэффициент корреляции г~0.4. Зависимость эта гораздо более слабая, чем для плазмопаузы или для ПЛИ, но, с другой стороны, это отличает их низкоширотных сублровапов, положение которых практически не зависит от Кр-индекса. Следовательно, происхождение последних либо не связано напрямую с магнитными возмущениями, либо они формируются в магнито-спокойные периоды.

Во втором разделе были рассмотрены возможные причины и механизмы формирования высокоширотных субпровалов (Ф>47-48°). Выделенное распределение вероятности наблюдения (Р) высокоширотных субпровалов в зависимости от местного времени показало, что вариации Р подобны по форме для зимы и лета, и четко делятся на ночную часть с максимумом в утренние часы 02-04 LT, и на дневную часть с максимумом около полудня.

Было выдвинуто предположение о том, что появление дневных субпровалов связано с механизмом образования в этом секторе местного времени так называемых "плазменных хвостов" ("plasmatails") [Taylor, Grebowsky, Walsh, 1972] (§5.2.1), обусловленных нестационарностью развития процесса возмущений. Известно, что быстрый рост магнитосферного Б-поля приводит к образованию новой плазмопаузы, расположенной намного ближе к Земле, чем в спокойных условиях. На фазе роста возмущения такая структура идентифицируется как обычный ПЛИ, однако, на ранней стадии быстрой восстановительной фазы бури «плазменный хвост» оказывается внутри заполняющейся плазмосферы и тогда будет фиксироваться как субпровал, расположенный на экваториальной стенке «нового» ПЛИ.

Ночные субпровалы формируются, по-видимому, тем же самым механизмом, что и красные устойчивые дуги и провалы в {Ne], наблюдаемые чаще всего на восстановительной фазе бури в утренние часы местного времени (§5.2.2). Это так называемые кольцевые ионосферные провалы (КИП), выделенные по данным спутника «Космос-1809» [Деминов, Карпачев, Морозова, 1992]. КИП образуются в максимуме интенсивной бури (Кр>4), но в виде субпровалов по отношению к более высокоширотным ГИП они четко

фиксируются на более поздней восстановительной фазе бури в полосе широт 50-57°Ф. Характеристики КИП связаны с развитием кольцевого магнитосферного тока. В резком отличие от ГИП, положения КИП слабо коррелируют с изменениями Кр-индекса, и почти полностью зависят от DR-индекса, описывающего величину магнитного поля кольцевого тока. При этом зависимость от Кр-индекса имеет характер очень похожий на тот, что был определён выше для высокоширотных субпровалов: Фки„= 54.8°- 0.7° Кр.

Причём, как для субпровалов, образованных «плазменными хвостами», так и для КИП, суточные вариации вероятности наблюдений (Р) показывают удивительное сходство с подобным распределением Р для выделенных высокоширотных субпровалов в [Не*]. В вечернем секторе высокоширотны:; субпровалы, кроме того, могут, по-видимому, формироваться под воздействием узкой полосы западного дрейфа плазмы - поляризационного джота, вызывающего джоулев нагрев термосферы и отток ионов Не* (§5.2.3).

В третьем разделе были рассмотрены предпосылки и разработана схема механизма формирования крайне низкоширотных субпровалов (Ф z 35°). Эти субпровалы, наблюдаемые в зимних ночных условиях и отсутствующие летом, по всей видимости, связаны с образованием экваториальных баблов ("bubbles"), также в основном наблюдаемых зимой с 18 до 05 L.T. Баблы образуются над экватором на высотах слоя F2 в результате развития неусточивости Кельвина-Гельмгольца. Под действием силы тяжести и вертикального дрейфа они "всплывают" вверх до тех пор, пока их концентрация не станет равной фоновой концентрации на высоте подъёма. Поднимаясь на большие (плазмосферные) высоты (до 3000 км), баблы постепенно приобретают растянутую вдоль силовой трубки «бананообразную» форму. При подъеме вверх баблы, по-видимому, смещаются в то полушарие, где концентрация ниже, что и обнаруживается в ассиметричном проявлении субпровалов - регистрации в зимнем полушарии при практическом отсутствие в летнем. Конец растянутого бабла опускается до ионосферных высот (-1100 км) и проявляется в виде субпровала в концентрации [Не*] на широтах 20-35°Ф. На более низких широтах такого рода субпровапы не проявляются, поскольку поглощаются более мощным и глубоким образованием - экваториальным

провалом в [Не*]. Подтверждением возможности такого механизма может служить факт обнаружения субпровалов в [Н*] на высотах плазмосферы (данные спутника «DE-1»), свидетельствующий о том, что субпровалы - это не локальное образование на высотах верхней ионосферы, а глобальное понижение концентрации вдоль большой части силовой трубки.

В четвертом разделе обсуждены возможные причины формирования низкоширотных [35-45°Ф] субпровалов в зимних условиях и разработан механизм образования таких субпровалов в летних условиях.

В образовании зимних субпровалов полосы широт 35-45°Ф, по всей видимости, могут участвовать, только электрические поля (Е-поля). Наблюдения показывают, что всплески Е-полей магнитосферного происхождения даже во время бурь средней интенсивности (Кртах=5-7) наиболее часто наблюдаются вблизи L~2 [Gonzales et al., 1986]. Всплески E-поля связаны с резкими изменениями магнитосферной конвекции, следовательно, они имеют место как в начале, так и в конце возмущения. Е-поля наиболее эффективно проникают во внутреннюю плазмосферу и достигают наибольшей амплитуды в вечернем секторе, однако, интервал их существования гораздо шире - от 12-14LT до 3-4LT [Fejer, Scherliess, 1998]. А поскольку субпровалы легче образуются при низкой фоновой концентрации, то её понижение зимой в послеполуночные часы местного времени, создаёт наиболее благоприятные условия для появления субпровапов, развивающихся в эти часы под воздействием Е-полей. Механизм проникновения электрического поля глубоко вовнутрь плазмосферы до конца не ясен, но известна одна его важная характеристика - поле является вихревым, оно не приводит к джоулеву нагреву и росту температуры нейтральной атмосферы. Несмотря на это, судя по наблюдениям оно сопровождается резкими изменениями структуры верхней ионосферы и образованием узких (суб)провалов ионизации.

Наиболее детально был разработан механизм формирования летних ярко выраженных низкоширотных субпровалов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф. За их образование ответственней процесс выноса легких ионов из летнего полушария в зимнее. Обнаружено, что этот процесс наиболее эффективно протекает в ю.п., в полосе широт 35-45°Ф, в интервале местного времени - 12-22LT, и не зависит от уровня геомагнитной активности. Его

эффективность также зависит от сезона (наиболее благоприятны летние условия) и долготы. Суть механизма заключена в следующем. Между зимним и летним полушариями существует разница в электронной концентрации, уровень которой намного меньше в зимнем полушарии. Чтобы скомпенсировать эту разницу, из летнего (южного) полушария возникает поток легких ионов Не*(Н*), устремляющийся в зимнее (северное) полушарие. Таким образом, на широтах летнего полушария образуется субпровал, а на сопряженных широтах зимнего полушария поток ионов Не* образует пик концентрации, который хорошо выделяется даже на гребне экваториальной аномалии. Процесс выноса локализован по широте. Процесс наиболее эффективно начинает развиваться, образуя полярную стенку субпровала на широтах, находящихся в ночных условиях вблизи захода Солнца. Эта граница определяет резкий рост [О*], сопровождаемый подъёмом [Не*] на большие высоты, и ускоряет отток Не*. С экваториальной стороны процесс прекращается на той широте, где сравниваются значения электронной концентрации в летнем и зимнем полушариях. На этой широте образуется крутая экваториальная стенка субпровала. С течением времени при смещении линии терминатора субпровалы, попадая в дневной сектор, всё более и более размываются и практически исчезают к полудню.

В приложении приведены таблицы: список спутников, наиболее упоминаемых в работе; список опубликованных в литературе субпровалов в концентрации Не*(Н*).

В заключении сформулированы основные результаты работы: 1) На основе системного анализа большого массива данных спутника «ЮБ-Ь» (-4000 пролетов) разработана методика разделения провалов и выделены провалы в [Не*].

• Выделены высокоширотные провалы, расположенные внутри аврорального овала.

• Выделены ПЛИ, связанные с внутренней плазмопаузой.

• Выделены несколько случаев ПЛИ, расположенных в дневные и вечерние часы на широтах внешней (классической) плазмопаузы.

• Вьгделены свыше 500 субпровалов разных типов в полосе широт ~25-57°Ф.

• Показано, что ПЛИ, расположенные вблизи внутренней ппазмопаузы, вместе с ней смещаются к экватору при росте Кр-индекса. Это означает, что положение ПЛИ на высоте -1100 км не отслеживает дневной или вечерней выпуклости, как у ГИП или у классической плазмопаузы.

• Обнаружено, что вероятность наблюдения (Р) ПЛИ в ночных зимних, так и в дневных летних условиях слабо зависит от магнитной активности.

2) Впервые выделены и детально исследованы суточные и сезонные вариации

Рдля ПЛИ и субпровалов.

• Обнаружено, что в ночных условиях значения Р для ПЛИ несколько выше зимой (-40-60%), чем летом (35-55%) и достигают максимумов в периоды равноденствий (до 90% в марте). Значения Рдля субпровалов уменьшаются от-Зй% зимой до 5-10% летом, показывая равноденственные минимумы.

• Обнаружено, что в дневных условиях ПЛИ довольно часто наблюдаются летом (Р~30%) и очень редко зимой (Р=5-10%). Субпровалы не часто, но

~ стабильно наблюдаются летом (Р=7-12%), редко зимой [Р=2-3%) и полностью отсутствуют в равноденствия.

• Выявлено, что ПЛИ чаще наблюдаются ночью (Р=40-60%), чем днем (Р=10-30%). Субпровалы же чаще наблюдаются зимой в послеполуночные часы, а летом - в послеполуденные и вечерние.

• Показано, что суточные и сезонные вариации величины Р определяются соответствующими вариациями (Не*] в области провалов. Роль фоновых вариаций в вариациях величины Рдля ПЛИ проявляется в меньшей степени на экваториальной стенке, в большей - в минимуме и становится доминирующей на полярной стенке. Значения Р для субпровалов определяются вариациями фоновой концентрации в первом приближении. Главной особенностью вариаций [Не*] является сильная зависимость от поведения ионов О*, растущая с широтой.

3) Впервые выделены и детально исследованы долготные вариации Р для ПЛИ

и субпровалов в [Не*] в ночных зимних и летних условиях.

• Обнаружено, что значения Р для ПЛИ изменяются с долготой от 20-25% до 75-80%. Амплитуда долготного эффекта летЬм больше, чем зимой, и в южном полушарии больше, чем в сёвёрном. '

• Обнаружено, что величина Р для Ьубйров1алов Изменяется с долготой от 010% до 25-50%, причём изменения наиболее сильно выражены в северном полушарии в зимних условиях.

• Показано, что вариации величины Р связаны с соответствующими вариациями [Не*] в области провалов. Долготные вариации [Не*], в свою очередь, определяются вариациями [О*]. Обнаружено, что долготные вариации [Не*] и [О*] летом на средних широтах антикоррелируют, а во всех остальных случаях коррелируют.

• Показано, что вариации [Не*] с долготой меняются значительно, хотя менее сильно, чем [О*]. Амплитуда долготного эффекта (А) больше на средних широтах, чем на высоких (А-2-4 и 1.7-3 соответственно), в ю.п. больше, чем в с.п. (А-2.2-4 и 1.7-3.3), зимой больше, чем летом (А-3.3-4 и 1.7-2.2).

4) Обнаружены возможные причины образования субпровалов разных типов.

• Предложена качественная интерпретация дневных и ночных

высокоширотных (Ф>47-48°) субпровалов. Дневные субпровалы

■".. • л-

формируются, по всей видимости, механизмом "плазменных хвостов", а ночные (утренние) - механизмом кольцевых ионосферных провалов (КИП), наблюдаемых в утренние часы на восстановительной фазе бури.

• Разработан качественно механизм образования крайне низкоширотных субпровалов (Ф<35°), наблюдаемых в зимних ночных магнито-спокойных условиях. Он связан с образованием и динамикой экваториальных баблов ("bubbles"), также наблюдаемых в зимний период с 18 до 05LT.

• Выявлено влияние всплесков Е-полей магнитосферного происхождения, наиболее часто наблюдаемых вблизи 1_~2, на образование низкоширотных [35-45°Ф] субпровалов зимнего периода.

• Детально разработан механизм формирования низкоширотных [35-45°Ф] субпровапов летнего периода, связанный с процессом выноса легких ионов из летнего полушария в зимнее.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Mishin E.V., Epishova А.Е., Ishkova L.M., Kovalevskaya E.M., Kozlov E.F., Kotokolov L.E., Rubzov L.N., Sidorova L.N. etc. Disturbances of F-region electron density following solar terminator during the WITS period of March 16-20, 1988//J. Atmos. Terr. Phys. 1991. V.53. №6/7. P.643.

2. Сидорова Л.Н., Рахпин A.B. Сравнительный анализ волновых возмущений Ne в восходный и заходный периоды // Геомагнетизм и Аэрономия. 1992. Т. 32. №2. С.178.

3. Sidorova L.N. Peculiarities of the ion trough in [He*], [O*] and main ionosphere trough during high solar activity period // Abstracts. Week В. XXI General Assembly, Boulder, Colorado, July 2-14, 1995. Geophys. and the Environment. №GB41H-07. P.B152.

4. Sidorova L.N. Note on discussion About the Light Ions Trough and the Main Ionospheric Trough // Turkish Journal of Physics. 1995. V.19. №3. P.557.

5. Ruzhin Yu.Ya., Sidorova L.N. About an investigation of light ions trough and trough in [0+] using the low hybrid frequency measurements // Abstracts.

'"international Symposium. Satellite Studies of Magnetospheric and Ionospheric ' 1 Processes. Moscow, 1ZMIRAN, 11-13th December, 1995. P.38. ' S. Sidorova L.N., Yu.Ya. Ruzhin. Peculiarities of the low-latitudinal trough in He+ " - during high solar activity period // Abstracts. 31st Scientific Assembly of COSPAR. The University of Birmingham, England. 14-21 July, 1996. P.91.

7. Sidorova LN.,Yu.Ya. Ruzhin. Peculiarities of the Low-Latitudinal Trough in [He+] "-■ During High Solar Activity Period // Abstracts. International Conference on

Problems of Geocosmos. St.-Petersburg. Russia. June 17-23,1996. P.107.

8. Sidorova L.N. Anomalous mid- and low-latitudinal light ion troughs in upper ionosphere // Abstracts. VIII Scientific Assembly of IAGA, Uppsala, Sweden,

1997. P.176.

9. Karpachev A.T., Sidorova L.N. Mid-latitude light ion trough and low-latitude subtrough revealed from ISS-b data II Book of abstracts. Second International Conference on Problems of Geocosmos. St.-Petersburg, Russia. June 29- July 3,

1998. P.117-118.

10. Karpachev A.T., Sidorova L.N. Separation of the different types of the [He*] troughs in the topside ionosphere // Abstracts. 32nd COSPAR Scientific Assembly, 40th Anniversary, Nagoya, Japan. 12-19 July, 1998. P.228.

И.Карпачев А.Т., Сидорова Л.Н. Выделение провала и субпровапа в концентрации лёгких ионов по данным спутника «ISS-b» на высоте ~1100км // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т.39. №3. С.54-61.

12.Sidorova L.N., Karpachev А.Т. Separation of the different types of the [He*] troughs in the topside ionosphere // Abstracts. IUGG XXII General Assembly, Birmingham, Great Britan, 18-30 July, 1999. P. A.329.

13.Sidorova L.N., Karpachev A.T. Statistical characteristics of the mid-latitude troughs (LIT) and low-latitude subtroughs in He* on season, local time and magnetic activity//Abstracts. IUGG XXII General Assembly, Birmingham, GB, 1830 July, 1999. P. A.328.

14.Карпачев A.T., Сидорова Л.Н. Зависимость вероятности наблюдения среднеширотного провала и низкоширотного субпровала в концентрации ионов Не* от сезона, местного времени и магнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т.40. №2. С.23-33.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Сидорова, Лариса Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ Не+ НА РАЗНЫХ ШИРОТАХ ВЕРХНЕЙ

ИОНОСФЕРЫ (ОБЗОР).

§1.1 Солнечно-циклические вариации ионов Не+.

§1.2 Вариации концентрации ионов Не+, Н+ в области экваториальных и низких широт.

§1.2.1 Широтные вариации.

§1.2.2 Суточные вариации.

§1.2.3 Сезонные вариации.

§1.2.4 Долготный эффект (ДЭ).

§1.3 Вариации концентрации ионов Не+, Н+ в области средних и высоких широт.

§1.3.1 Широтные вариации.

§1.3.2 Суточные вариации.

§1.3.3 Сезонные вариации.

§1.3.4 Долготный эффект.

§1.3.5 Подобие характеристик распределения [Не+] и [Н+].

§1.4 Среднеширотный провал в легких ионах (Не+, Н+).

§1.4.1 Характеристики ПЛИ.

§1.4.1а Суточные вариации характеристик ПЛИ.

§1.4.16 Сезонные вариации характеристик ПЛИ.

§1.4.1 в Зависимость вероятности и положения ПЛИ от уровня геомагнитной активности.

§1.4.1 г Долготные вариации ПЛИ.

§1.4.1д Динамика верхней ионосферы области ПЛИ.

§1.4.2 Теоретический анализ ПЛИ.

§1.4.2а Моделирование динамических процессов в верхней ионосфере.

§1.4.26 Теоретические представления о механизмах формирования ПЛИ.

§1.5 Субпровалы.

§1.5.1 Морфологические характеристики субпровалов.

§1.5.2 Теоретический анализ субпровалов.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Статистические характеристики и механизмы образования провалов в концентрации ионов He + на высотах верхней ионосферы"

Актуальность темы и современное состояние проблемы. Провал в легких ионах Н+ и Не+ (ПЛИ) является индикатором экваториальной плазмопаузы на высотах верхней ионосферы, по динамике ПЛИ можно проводить мониторинг плазмопаузы. Однако, если анализу, в том числе статистическому, характеристик плазмопаузы посвящено большое количество работ, ПЛИ же исследовался, в основном, на отдельных примерах. Поэтому большинство характеристик ПЛИ до сих пор изучено недостаточно хорошо, они, как правило, описываются качественными, сугубо приближенными формулировками, как например: «ПЛИ чаще наблюдается в ночных условия, чем в дневных». Относительно некоторых характеристик ПЛИ вообще нет единой точки зрения, например, часть авторов считает, что ПЛИ с ростом магнитной активности становится глубже и наблюдается чаще, а другая часть не видит существенных изменений в структуре ПЛИ при изменениях магнитной активности. Не существует даже общепринятого определения ПЛИ, часто под этой структурой понимают резкое падение концентрации легких ионов на широтах плазмопаузы, без полярной стенки. Характеристики ПЛИ определяются вариациями концентрации легких ионов на средних и авроральных широтах. Анализ литературы показывает, что даже суточные и сезонные вариации концентрации Н+ и Не+ в верхней ионосфере изучены настолько слабо, что на них не удается опереться при исследовании соответствующих вариаций характеристик ПЛИ. Поэтому при исследовании ПЛИ приходится решать сразу две задачи - сначала выделять вариации фоновых концентраций ионов Н+ или Не+, а затем на их основе проводить анализ поведения ПЛИ.

О субпровалах в легких ионах известно еще меньше, чем о ПЛИ. Они были обнаружены в отдельных случаях экваториальнее ПЛИ во время сильных возмущений, и глубоко в плазмосфере (на 1-1.5) в спокойных условиях. Субпровалы в концентрации легких ионов регистрируются в очень большой полосе широт (~ 25-57°Ф) и потому явно связаны с разными механизмами образования. Однако редкие, внесистемные попытки обнаружить эти механизмы еще сильнее запутывают картину, поскольку часто провал одного типа за время наблюдений плавно переходит в провал другого типа, с совершенно другими характеристиками. Субпровалы, наблюдаемые во внутренней плазмосфере, по-видимому, образуются в магнитоспокойные периоды времени, хотя обоснованных механизмов для их формирования в условиях достаточно стабильной внутренней плазмосферы предложено не было. Более высокоширотные субпровалы, безусловно, являются проявлением динамических процессов, протекающих во внешней плазмосфере во время возмущений. В последнее время исследованию механизмов бурь и суббурь уделяется огромное внимание. Однако, подавляющее большинство этих иследований относится к удаленным областям магнитосферы. Этот акцент в новейших исследованиях околоземного пространства частично связан с ошибочным представлением о том, что его более близкая часть, т.е. ионосфера, изучена достаточно хорошо. Как было сказано выше, это далеко не так и потому существующие пробелы в исследованиях должны быть устранены. Обширный материал, накопленный за более чем 30 лет спутниковых наблюдений, позволяет это сделать. Так, например, банк данных спутника «188-Ь» содержит измерения концентрации ионов 0+, Не+ и Н+, полученных вдоль ~1100 орбит, что составляет около 4000 пролетов спутника над среднеширотной и высокоширотной ионосферой обоих полушарий для разных условий. Этого вполне достаточно для решения многих задач. Однако эти данные в течение 22 лет после запуска спутника использовались редко. Более того, немногочисленные публикации по данным «188-Ь» относились в основном к экваториальным широтам.

Итак, исходя из вышеизложенного, целью исследования является:

1. Выделение и классификация разных типов провалов в концентрации ионов Не+ на основе системного анализа достаточно большого массива данных спутника «188-Ь».

2. Выявление зависимости вероятности наблюдения ПЛИ и субпровалов концентрации Не+ от широты, долготы, местного времени, сезона и уровня геомагнитной активности.

3. Исследование вариаций концентрации Не+ в области провалов в зависимости от местного времени, сезона, долготы и магнитной активности.

4. Интерпретация и разработка возможных механизмов формирования субпровалов разных типов. —

Научная новизна настоящей работы состоит в том, что:

1. Впервые на основе системного анализа большого массива данных спутника «1вЗ-Ь» проведена четкая классификация разных типов провалов в [Не+].

2. Впервые на основе статистического анализа данных спутника «1в8-Ь» обнаружены и детально исследованы ранее неизвестные вариации вероятности наблюдения (Р) ПЛИ и субпровалов в зависимости: от времени суток для летних/зимних условий; от сезона в ночных/дневных условиях, обнаруживающие ночные равноденственные максимумы Рдля ПЛИ; от долготы в ночных условиях для обоих полушарий, выявляющие сильную асимметрию полушарий; от широты для зимних ночных и летних дневных условий. Получена зависимость величины Рдля ПЛИ и «высокоширотных» субпровалов от уровня геомагнитной активности.

3. Детально исследованы слабо или совсем неизученные вариации концентрации Не+, определяющие вариации величины Р для провалов обоих типов, и выделены в зависимости: от времени суток, сезона и долготы на средних, субавроральных и авроральных широтах. Выявлено, что

- вариации величины Р для субпровалов зависят и определяются вариациями фоновой концентрации Не+ в первом приближении;

- вариации величины Р для ПЛИ определяются главным образом вариациями [Не+] на полярной стенке, в большей степени вариациями [Не+] - в минимуме и в меньшей степени - на экваториальной стенке;

- вариации [Не+] зависят, в свою очередь, от вариаций концентрации 0+.

4. Найдены возможные причины формирования субпровалов разных типов.

Предложена качественная интерпретация формирования высокоширотных субпровалов механизмом образования «плазменных хвостов» в периоды возмущений и механизмом кольцевых ионосферных провалов (КИП).

Выявлена роль электрических полей магнитосферного происхождения в формировании субпровалов.

- Детально разработан механизм образования субпровалов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф, связанный с выносом легких ионов из летнего полушария в зимнее.

Личное участие. Автору принадлежит статистическая обработка данных спутника «188-Ь», участие в анализе полученных результатов, а также интерпретация и разработка механизмов формирования субпровалов.

Практическая и научная значимость работы. Результаты статистического анализа сезонных, суточных, широтных и долготных вариаций [Не+] представляют в совокупности достаточно полную картину распределения концентрации на средних, субавроральных и авроральных широтах верхней ионосферы, которая может использована для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований околоземного пространства. Обнаружение сильной зависимости вариаций Не+ от вариаций 0+ является убедительным экспериментальным подтверждением тесной связи между верхней и нижней ионосферой. Кроме того необходимо отметить, что изучаемые вариации [Не+] на высотах верхней ионосферы определяют соответствующие вариации [Не+] на плазмосферных высотах и влияют на генерацию и распространение ионно-циклотронных волн. Обнаружение свыше 500 субпровалов за 1.5 года работы спутника «(Бв-Ь» резко меняет и расширяет наши представления о процессах, имеющих место в верхней ионосфере как в возмущенных, так и в спокойных условиях. Наконец, результаты статистического анализа характеристик ПЛИ позволяют существенно уточнить механизмы его образования, а, следовательно, более точно отобразить процессы магнитосферно-плазмосферно-ионосферной связи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Ранее неизвестные статистические характеристики провалов в концентрации Не+, выделенные и исследованные по данным спутника «188-Ь» на высотах 1000-1200 км: а) Вариации вероятности наблюдения ПЛИ и субпровалов в зависимости: от времени суток для летних и зимних условий, от сезона для ночных и дневных условий, от долготы для ночных зимних и летних условий обоих полушарий. о — от времени суток для летних и зимних условий, от сезона для ночных и дневных условий, от долготы для ночных зимних и летних условий обоих полушарий. б) Вариации вероятности наблюдения субпровалов в зависимости: от широты для зимних ночных и летних дневных условий, в) Вариации вероятности наблюдения ПЛИ в зависимости от уровня геомагнитной активности.

2. Ранее неизвестные статистически выделенные и детально исследованные вариации концентрации ионов Не+ в области средних, субавроральных и авроральных широт в зависимости:

- от времени суток, сезона и долготы. Обнаружение сильной зависимости вариаций Не+ от вариаций 0+.

3. Результаты исследования возможных причин образования субпровалов, состоящие: а) в качественной интерпретации образования высокоширотных субпровалов механизмами «плазменных хвостов» и кольцевых ионосферных провалов (КИП) -эффективными в разных секторах местного времени. б) в качественном описании механизма образования крайне низкоширотных субпровалов, связанного с развитием плазменных экваториальных «баблов». в) в разработке механизма, связанного с оттоком легких ионов из летнего полушария в зимнее, для объяснения образования субпровалов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф в спокойных геомагнитных условиях.

Апробация результатов и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на I Евроазиатском Симпозиуме по космическим наукам и технологиям (Тубитак, Турция, 1993 г.), на Интернациональном Симпозиуме по проблемам спутниковых исследований магнитосферных и ионосферных процессов (Москва, ИЗМИРАН, 1995 г.), на XXXI Научной Ассамблее COSPAR (Бирмингем, Великобритания, 1996 г.), на VIII Научной Ассамблее IAGA (Уппсала, Швеция, 1997), на двух Интернациональных конференциях по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, 1996, 1998), на

Генеральной Ассамблее С08РА1Ч (Нагойя, Япония, 1998), на XXII Генеральной Ассамблее ИЮв (Бирмингем, Великобритания, 1999), а также на научных семинарах и Учёном Совете ИЗМИРАН. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Материалы диссертации использованы в научных отчётах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 175 страниц текста, в том числе 54 рисунка и две таблицы. Список цитируемой литературы включает 137 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Сидорова, Лариса Николаевна

§5.5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛАВЫ V

Детальный анализ характеристик субпровалов позволил выявить возможные причины их образования. Эти причины разные в разных интервалах широт. Исходя из этого субпровалы можно условно разделить на высокоширотные, низкоширотные и крайне низкоширотные. Таким образом, высказанное выше предположение о том, что субпровалы связаны с разными причинами подтвердилось. Конкретно, были получены следующие выводы.

1. Высокоширотные субпровалы (Ф>47-48°) наблюдаются в ночное время с максимумом вероятности в утренние часы и в дневное время с максимумом вероятности в послеполуденные часы. Дневные субпровалы связаны, очевидно, с образованием «плазменных хвостов» в этом секторе местного времени. Ночные субпровалы формируются тем же самым механизмом, что и красные устойчивые дуги и провал в которые чаще всего наблюдаются на восстановительной фазе бури в утренние часы местного времени. В вечернем секторе субпровалы, кроме того, могут, по-видимому, формироваться узкой полосой западного дрейфа плазмы в результате джоулева нагрева термосферы.

2. Крайне низкоширотные субпровалы (Ф<35°) наблюдаются в зимних ночных условиях и не регистрируются летом. Они, по всей видимости, связаны с образованием экваториальных «баблов», которые также наблюдаются в основном в зимнее время с 18 П" до 05 1Т. «Баблы» поднимаются над экватором на большие (плазмосферные) высоты (до 3000 км), приобретают «бананообразную» форму, растянутую вдоль силовой трубки, и проявляются как субпровалы на широтах 20-35°Ф на ионосферных высотах -1100 км. На более низких широтах субпровалы поглощаются глубоким экваториальным провалом в [Не+].

3. В формировании низкоширотных субпровалов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф зимнего периода, могут участвовать, по-видимому, только электрические поля. Наблюдения показывают, что всплески электрических полей магнитосферного происхождения во время возмущений наиболее часто наблюдаются вблизи 1~2. Электрическое поле магнитосферной конвекции наиболее эффективно проникает в вечерние и околополуночные часы, но значительной величины может достигать уже в -14 1Т. А поскольку субпровалы

4 ОУ легче образуются при низкой фоновой концентрации, то чаще всего в зимних условиях они появляются в послеполуночные часы местного времени.

4. За формирование ярко выраженных низкоширотных субпровалов, локализованных в полосе широт 35-45°Ф летнего периода, ответственней процесс выноса легких ионов из летнего полушария в зимнее. Этот процесс наиболее эффективно протекает в южном полушарии, в полосе широт 35-45°Ф и интервале времени 12-22 1Т. Его эффективность зависит от сезона, долготы и максимальна вблизи солнечного терминатора, который определяет резкий рост [0+], с которым связано уменьшение [Не+]. Процесс образования этого типа субпровалов не зависит от уровня геомагнитной активности. В зимнем полушарии на широтах летнего субпровала образуется довольно значительное повышение [Не+].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги выполненных исследований, суммируем кратко основные результаты:

1) На основе системного анализа большого массива данных спутника «188-Ь» (-4000 пролетов) разработана методика разделения провалов и выделены провалы в [Не+].

• Выделены высокоширотные провалы, расположенные внутри аврорального овала.

• Выделены ПЛИ, связанные с внутренней плазмопаузой.

• Выделены несколько случаев ПЛИ, расположенных в дневные и вечерние часы на широтах внешней (классической) плазмопаузы.

• Выделены свыше 500 субпровалов разных типов в полосе широт ~25-57°Ф.

• Показано, что ПЛИ, расположенные вблизи внутренней плазмопаузы, вместе с ней смещаются к экватору при росте Кр-индекса. Это означает, что положение ПЛИ на высоте - 1100 км не отслеживает дневной или вечерней выпуклости, как у ГИП или у классической плазмопаузы.

• Обнаружено, что вероятность наблюдения (Р) ПЛИ в ночных зимних, так и в дневных летних условиях слабо зависит от магнитной активности.

2) Впервые выделены и детально исследованы суточные и сезонные вариации Р для ПЛИ и субпровалов.

• Обнаружено, что в ночных условиях значения Р для ПЛИ несколько выше зимой (-40-60%), чем летом (35-55%) и достигают максимумов в периоды равноденствий (до 80-90% в марте). Значения Р для субпровалов уменьшаются от -30% зимой до 5-10% летом, показывая равноденственные минимумы.

• Обнаружено, что в дневных условиях ПЛИ довольно часто наблюдаются летом (Р~30%) и очень редко зимой (Р=5-10%). Субпровалы не часто, но стабильно наблюдаются летом (Р=7-12%), редко зимой (Р=2-3%) и полностью отсутствуют в равноденствия. лы

• Выявлено, что ПЛИ чаще наблюдаются ночью (Р=40-60%), чем днем (Р= 1030%). Субпровалы же чаще наблюдаются зимой в послеполуночные часы, а летом - в послеполуденные и вечерние.

• Показано, что суточные и сезонные вариации величины Р определяются соответствующими вариациями [Не+] в области провалов. Роль фоновых вариаций в вариациях величины Р для ПЛИ проявляется в меньшей степени на экваториальной стенке, в большей - в минимуме и становится доминирующей на полярной стенке. Значения Р для субпровалов определяются вариациями фоновой концентрации в первом приближении. Главной особенностью вариаций [Не+] является сильная зависимость от поведения ионов 0+, растущая с широтой.

3) Впервые выделены и детально исследованы долготные вариации Рдля ПЛИ и субпровалов в [Не+] в ночных зимних и летних условиях.

• Обнаружено, что значения Рдля ПЛИ изменяются с долготой от 20-25% до 7580%. Амплитуда долготного эффекта летом больше, чем зимой, и в южном полушарии больше, чем в северном.

• Обнаружено, что величина Рдля субпровалов изменяется с долготой от 0-10% до 25-50%, причём изменения наиболее сильно выражены в северном полушарии в зимних условиях.

• Показано, что вариации величины Р связаны с соответствующими вариациями [Не+] в области провалов. Долготные вариации [Не+], в свою очередь, определяются вариациями [0+]. Обнаружено, что долготные вариации [Не+] и [0+] летом на средних широтах антикоррелируют, а во всех остальных случаях коррелируют. Выявлены причины такой взаимосвязи, механизмы образования долготных вариаций концентрации ионов на средних и высоких широтах, а также причины асимметрии структуры провалов в северном и южном полушариях.

• Показано, что вариации [Не+] с долготой меняются значительно, хотя менее сильно, чем [0+]. Амплитуда долготного эффекта (А) больше на средних широтах, чем на высоких (А-2-4 и 1.7-3 соответственно), в ю.п. больше, чем в с.п. (на средних широтах Д~2.2-4 и 1.7-3.3 соответственно), зимой больше, чем летом (на средних широтах А~3.3-4 и 1.7-2.2 соответственно).

4) Обнаружены возможные причины образования субпровалов разных типов в концентрации Не+.

• Предложена качественная интерпретация дневных и ночных высокоширотных (Ф>47-48°) субпровалов. Дневные субпровалы формируются, по всей видимости, механизмом "плазменных хвостов", а ночные (утренние) -механизмом кольцевых ионосферных провалов (КИП), наблюдаемых в утренние часы на восстановительной фазе бури. В вечернее время высокоширотные субпровалы, по-видимому, формируются узкой полосой западного дрейфа плазмы в результате джоулева нагрева термосферы.

• Разработан качественно механизм образования крайне низкоширотных субпровалов (Ф<35°), наблюдаемых в зимних ночных магнито-спокойных условиях. Они, по всей вероятности, связаны с образованием, развитием и динамикой экваториальных "баблов" ("bubbles"), также наблюдаемых в зимний период с 18 до 05 LT.

• Выявлено влияние всплесков Е-полей магнитосферного происхождения, наиболее часто наблюдаемых вблизи L~2, на образование низкоширотных [35-45°Ф] субпровалов зимнего периода.

• Детально разработан механизм формирования низкоширотных [35-45°Ф] субпровалов летнего периода, связанный с процессом выноса легких ионов из летнего полушария в зимнее.

Наблюдения показывают, что форма провалов в концентрации ионов Не+ и Н+ в первом приближении подобна. С другой стороны известно, что разница в природе их происхождения может приводить к значительным отличиям в тонкой структуре провала. Поэтому, строго говоря, полученные в работе результаты относятся только к ионам Не+.

Библиография Диссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Сидорова, Лариса Николаевна, Москва

1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 442с.

2. Гальперин Ю.И., Сивцева Л.Д., Филиппов В.М., Халипов В.Л. Субавроральная верхняя ионосфера. Новосибирск: Наука, 1990. 191с.

3. Грингауз К. И., Бассоло B.C. Структура и свойства плазмосферы Земли. Экспериментальные данные и проблемы их интерпретации. (Обзор) // Геомагнетизм и Аэрономия. 1990. Т.ЗО. №1. С. 1-17.

4. Дёминов М.Г., Ершова Л.Д., Сивцева В.А. Низкоширотный провал легких ионов в плазмосфере Земли // Всесоюзное совещание «Крупномасштабная структура субавроральной ионосферы». Тезисы докладов. Якутск: ЯФ СО АН СССР. 1981. 20с.

5. Дёминов М.Г., Карпачев А.Т. Долготный эффект в ночной среднеширотной ионо-сфере по данным ИСЗ "Интеркосмос-19" // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т.28. №1. С.76-80.

6. Дёминов М.Г., Карпачев А.Т., Морозова Л.П. Субавроральная ионосфера в период SUNDIAL июнь 1987 г. по данным ИСЗ «Космос-1809» // Геомагнетизм и аэрономия, 1992. Т.32. №1. С.54-58.

7. Дёминов М.Г., Карпачев А.Т., Афонин В.В., Аннакулиев С.К., Шмилауер Я. Динамика среднеширотного ионосферного провала в периоды бурь.1. Качественная картина// Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35. №1. С.73-79.

8. Дёминов М.Г., Карпачёв А.Т., Афонин В.В., Аннакулиев С.К. Динамика среднеширотного ионосферного провала в период бури. Главная фаза // Геомагнетизм и аэрономия 1995. Т.35. №6. 69с.

9. Дёминов М.Г., Карпачев А.Т., Афонин В.В., Аннакулиев С.К. Динамика среднеширотного провала в периоды бурь: восстановительная фаза // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т.36 N4. С.45-52.

10. Ю.Дёминова Г.Ф. Влияние гравитационных волн и Е-полей на область F ночной экваториальной ионосферы в периоды магнитосферных возмущений // Канд. дисс. Москва, 1990. 157с.

11. Ершова В.А.,Сивцева Л.Д. Среднеширотные провалы и потоки легких ионов в масс-спектро-метрических измерениях на спутнике "Ореол-1" // Космические исследования. 1974. Вып.4. 572с.-

12. Ершова B.A., Сивцева Л.Д., Кранье Ж, Блан Е., Сово Ж.-А. Геофизические результаты масс-спектрометрических измерений // Космические исследования. 1977. T.XV. Выпуск 2. С.277-285.

13. Ершова В.А., В.А. Кочнев, Ю.А. Шульчишин, Я. Шмилауер. Доминирование Не+ в области среднеширотного провала по масс-спектрометрическим данным спутника «Интеркосмос-24» // Космические исследования. 1997. T.XXV. Вып.2. С/115-121.

14. Карпачев А.Т. Глобальные вариации foF2 в области ночного провала // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т.32. №5. С.94-98.

15. Карпачев А.Т. Распределение электронной концентрации во внешней ионосфере высоких широт южного полушария для ночных летних условий // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35. № 6. 82с.

16. Карпачев А.Т. Распределение электронной концентрации вблизи максимума слоя F2 в северном полушарии для ночных летних условий // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т.36. №3. С.86-92.

17. Карпачев А.Т., Афонин В.В. Зависимость вероятности наблюдения ионосферных провалов от сезона, местного времени, долготы и уровня магнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т.38. №3. С.79-91.

18. Карпачев А.Т., Сидорова Л.Н. Выделение провала и субпровала в концентрации лёгких ионов по данным спутника «ISS-b» на высоте ~1100км // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т.39. №3. С.54-61.

19. Карпачев А.Т., Сидорова Л.Н. Зависимость вероятности наблюдения среднеширотного провала и низкоширотного субпровала в концентрации ионов Не+ от сезона, местного времени и магнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т.40. №2. С.23-33.

20. Клименко В.В., Намгаладзе A.A. О роли конвекции в формировании провала и плазмопаузы II Геомагнетизм и Аэрономия. 1980. Т.20. №5. С.946-950.

21. Клименко В.В., Намгаладзе A.A. Влияние нестационарной конвекции на распределение холодной плазмы в ионосфере и протоносфере Земли II Геомагнетизм и Аэрономия. 1981. Т.21. №6. С.994-998.

22. Кринберг И.А., Тащилин A.B. Ионосфера и плазмосфера. М.:Наука, 1984. 129с.

23. Крымский П.Ф., Ромащенко Ю.А., Романов Ю.Н. Нестационарный класс магнитосферных возмущений и механизм их развития // Экспериментальныеисследования околоземного космического пространства. Якутск: ЯФСО АН СССР, 1987. 37с.

24. Намгаладзе А.А., Захаров Л.П., Намгаладзе А.Н. Численное моделирование ионосферных бурь // Геомагнетизм и аэрономия 1981. Т.21. №2. 239с.

25. Солнечная и солнечно-земная физика. Иллюстрированный словарь терминов под редакцией А. Бруцека и Ш.Дюрана. М.: Мир, 1980. 254с.

26. Сивцева Л.Д., Ершова В.А, Мосова З.А. Низкоширотный провал ионов водорода во внешней ионосфере. Бюллетень научно-технической информации. Проблемы космофизики и аэрономии. Якутск, ЯФ СО АН СССР, 1982.19с.

27. Сидорова Л.Н., Рахлин А.В. Сравнительный анализ волновых возмущений Ne в восходный и заходный периоды // Геомагнетизм и Аэрономия. 1992. Т.32. №2. С.178.

28. Ситнов Ю.С. Вопросы теории области F внешней ионосферы низких геомагнитных широт//Дис. канд. физ.-мат. наук М., 1978. 134с.

29. Атауепс P. Tidal oscillations of the meridional neutral wind at mid-latitudes // Radio Sci. 1974. V.9. №2. P.281.

30. Aggson T.L., Burke W.J., Maynard N.C. et al. Equatorial bubbles updrafting at supersonic speeds//J. Geophys. Res. 1992. V.97. №6. P.8581-8589.

31. Bailey G.J., Moffett R.J., Murphy J.A. Calculated daily variations of the 0+ and H+ at mid-latitudes -II. Sunspot maximum results // J. Atmos. Terr. Phys. 1979. V.41. №4. P.417-429.

32. Bailey G.J., Sellek R. A mathematical model of the Earth's plasmasphere and its application in study of the He+ at L=3 //Annales Geophysicae. 1990. №8(3). P.171-190.

33. Bailey G.J., Sellek R. Field-aligned flows of H+ and He+ in the mid-latitude topside ionosphere at solar maximum // Planet. Space Sci. 1992. V.40. №6. P.751-762.

34. Balan N., Otsuka Y., Bailey G.J., Fukao S. Equinoctial asymmetries in the ionosphere and thermosphere observed by the MU radar// J. Geophys. Res. 1998. V.103. №5. P.9481.

35. Banks P.M., Holzer T.E. Features of plasma transport in the upper atmosphere // J. Geophys. Res. 1969. V.74. №26. P.6317-6332.

36. Bauer S.J. Hydrogen and helium ions // Annales de geophysique. 1966. T.22 N2. pp.247-254

37. Bowen P.J., Boyd R.L.F., Raitt W.F., Willmore A.P. Ion composition of upper F-region // Proc. Royal Soc. 1964. №281. P.504.

38. Brace L.H., Reddy B.M., Mayr H.G. Global behavior of the ionosphere at 1000 km altitude//J. Geophys. Res. 1967. V.72. №1. P.265-283.

39. Brace L.H., Maier E.J., Hoffman J.H,. Whitteker J., Shepherd G.G. Deformation of the Night Side Plasmasphere and Ionosphere During the August 1972 Geomagnetic Storm //J. Geophys. Res. 1974. №34. P.5211-5218

40. Breig E.L.,Hoffman J. H. Variations in Ion Composition at Middle and Low Latitudes From «ISIS-2» Satellite//J. Geophys. Res. 1975. V.80. №16. P.2207.

41. Brinton H.C., Pickett R.A., Taylor H.A. Diurnal and seasonal variation of atmospheric ion composition: correlation with solar zenith angle // J. Geophys. Res. 1969. V.74. №16. P.4064-4073.

42. Brinton H.C., Mayr H.G., Pickett R.A., Taylor H.A. The effect of atmospheric winds on the 0+-H+ transition level // Space Res. 1970. V10. P.652-662.

43. Chandler M.O., C.R. Chappel. Observations of the Flow of H+ and He+ Along Magnetic Field Lines in the Plasmasphere // J. Geophys. Res. 1986. V.91. .№A8. P.8847.

44. Chandra S., B.E. Troy, Jr., J.L. Donley, R.E. Bordeau. "OGO-4" Observations of Ion Composition and Temperatures in the Topside Ionosphere // J. Geophys. Res, Space Physics. 1970. V.75. №19. P.3867-3878.

45. Chandra S. The equatorial helium ion trough and the geomagnetic anomaly // J. Atmos. Terr. Phys. 1975. Vol.37. №2. P.359-367.

46. Chappell C.R., Harris, Sharp. The dayside of plasmasphere // J. Geophys. Res. 1971. V.76. №31. P.7632

47. Chappell C.R. Detached plasma regions in the magnetosphere // J. Geophys. Res. 1974. V.79. №13. P.1861-1870.

48. Chen A.J., Wolf R.A. Effects on the plasmasphere of a time-varying convection electric field // Planet. Space Sci. 1972. V.20. P.483-509.

49. Chen A.J., Grebowsky J.M., Taylor H.A. Dynamics of mid-latitude light ion trough and plasma tails // J. Geophys. Res. 1975. V.80. №7. P.968-976.

50. Chen A.J., J.M. Grebovsky. Dynamical interpretation of observed plasmasphere deformations // Planet. Space Sci. 1978. V.26. P.661-672.

51. Evans J.V., Holt J.M. Nighttime proton fluxes at Millstone Hill // Planet. Space Sci. 1978. V.26. №8. P.727-744.

52. Fejer B.G. The equatorial ionospheric electric fields: A review // J. Atmos. And Terr. Phys. 1981. V.43. №5/6. P.377-386.

53. Fejer B.G., de Paula E.R., Heelis R.A., Hanson W.B. Global equatorial ionospheric plasma drifts measured by the "AE-E" satellite // J. Geophys. Res. 1995. V.100. №A4. P.5769-5776.

54. Fejer B.G., de Paula E.R., Scherliess L. Incoherent scatter radar, ionosonde and satellite measurements of equatorial F region vertical plasma drifts in the evening sector //J. Geophys. Res. 1996. V.23. №14. P.1733-1736.

55. Fejer B.G., Scherliess L. Mid- and low-latitude prompt penetration ionospheric zonal plasma drifts // Geophys. Res. Lett. 1998. V.25. №16. P.3071-3074.

56. Foster J.C., Park C.G., Brace L.H. et al. Plasmapause signatures in the ionosphere and magnetosphere//J. Geophys. Res. 1978. V.83. №3. P. 1175.

57. Foster J.C., Rich F.J. Prompt midlatitude electric fields effects during severe geomagnetic storms//J. Geophys. Res. 1998. V. 103. №11. P.26367-26372.

58. Fuller-Rowell T.J., Evans D.S. Height-integrated Pedersen and Hall conductivity patterns inferred from the "TIROS-NOAA" satellite data // J. Geophys. Res. 1987. V.92. №7. P.7606.

59. Galperin Yu.l., Ponomarev V.N., Zosimova A.G. Plasma convection in the polar ionosphere//Ann. Geophys. 1974. V.30. P.1-7.

60. Gasda S., Richmond A.D. Longitudinal and interhemispheric variations of auroral ionospheric electrodynamics in a realistic geomagnetic field // J. Geophys. Res. 1998. V.103. №3. P.4011-4021.

61. Gonzales W.D., Pinto O., Mendes O., Mozer F.S. Large plasmaspheric electric fields at L~2 measured by the "S3-3" satellite during strong geomagnetic activity // Geophys. Res. Lett. 1986. V.13. №4. P.363-365.

62. Gonzalez S.A., Sulzer M.P. Detection of He+ layering in the topside ionosphere over Arecibo during solar minimum conditions // Geophys. Res. Lett. 1996. V.23. P.2509-2512.

63. Grebowsky J.M., Tulunay (Kabasakal) Y., Chen A.J. Temporal variations in the dawn and dusk midlatitude trough and plasmapause position // Planet. Space Sci. 1974. Vol.22. P. 1089-1099.

64. Grebowsky J.M., Chen A.J., Taylor H.A. High-latitude troughs and the polar cap boundary.// J. Geophys. Res. 1976. V.81. №4. P.690-694.

65. Grebowsky J.M.,. Hoffman J.H., Maynard N.C. Jonospheric and magnetospheric "plasmapauses" // Planet. Space Sci. 1978. Vol.26. P.651-660

66. Grebowsky J.M., Taylor H.A., Lindsay J.M. Location and source of ionospheric high latitude troughs // Planet. Space Sci. 1983. V.31. №1. P.99.

67. Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Holeman E. A statistical model of auroral precipitation //J. Geophys. Res. 1985. V90. №5. P.4229.

68. Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Raistrick R. Statistical and Functional Representations of the Pattern of Auroral Energy Flux, Number Flux, and Conductivity//J. Geophys. Res. 1987. V.92. №A11. P.12,275-12,294.

69. Heelis R.A., Hanson W.B., Bailey G.J. Distributions of He+ at middle and equatorial latitudes during solar maximum // J. Geophys. Res. 1990. V.95. №A7. P. 1031310320.

70. Hoffman J.H., Dodson W.H., Lippincott C.R., Hammack H.D. Initial ion composition results from the «ISIS-2» satellite // J. Geophys. Res. 1974. V.79. №28. P.4246-4251.

71. Hoffman J.H., Dodson W.H. Light ion concentrations and fluxes in the polar regions during magnetically quiet times//J. Geophys. Res. 1980. V.85. №2. P.626-632.

72. Horwitz J.L., Menteer S., Turnley J. et al. Plasma boundaries in the inner magnetosphere // J. Geophys. Res. 1986. V.91. №8. P.8861.

73. Horwitz J.L., Brace L.H., Comfort R.H., Chappell C.R. Dual-spacecraft measurements of plasmasphere-ionosphere coupling // J. Geophys. Res. 1986. V.91. №10. P.11203.-m

74. Horwitz J.L., Comfort R.H., Chappel C.R. A Statistical Characterization of Plasmasphere Density Structure and Boundary Locations // J.Geophys.Res. 1990. V.95. №A6. P.7937-7947.

75. Iwamoto I. Diurnal behavior of the equatorial He+ trough at an altitude of 1100 km // J. Geomag. Geoelectr. 1993. V45. P.29-40.

76. Iwamoto I. A study on the ion composition of the topside ionosphere by satellite-borne mass spectrometers // Journal of the Communications Research Laboratory. 1997. V44. №1. P.11-186.

77. Keating G.M., Prior E.J. The winter helium bulge // Space Res. 1968. V.8. P.982.

78. Knudsen W.C. Magnetospheric convection and the highlatitude F2-ionosphere // J. Geophys. Res. 1974. V.79. №7. P. 1046-1055.

79. Kohnlein W. On the diurnal and seasonal variations of H+, He+, N+, 0+, and Ne at 1400-km altitude // Planet. Space Sci. 1981. V.29. №7. P.775-782.-\7S.

80. Lemaire J. 0+, H+ and He+ ion distribution in a new polar wind model // J. Atmos. Terr. Phys. 1972. V.34. P. 1647-1658.

81. Maier E.J., Chandra S., Brace et al., The SAR arc event observed during the December 1971 magnetic storm // J. Geophys. Res. 1975. V.80. P.4591.

82. Marubashi K., Grebowsky J.M. A model of diurnal behavior of the ionosphere and protonosphere coupling.//. J. Geophys. Res. 1976. V.81. №10. P. 1700-1706.

83. Mayr H.G., Fontheim E.G., Brace L.H., Brinton H.C., Taylor H.A. A theoretical model of the ionosphere dynamics with interhemispheric coupling // J. Atmos. Terr. Phys. 1972. V.34. №10. P.1659-1680.

84. McElroy M.B. Excitation of atmospheric helium // Planet. Space Sci. 1965. Vol.13. №5. P.403.

85. Menietti J.D., Burch J.L., Gallagher D.L. Statistical study of ion flows in the dayside and nightside plasmasphere // Planet. Space Sci. 1988. V.36. №7. P.693-702.

86. Moffett R.J., Hanson W.R. Calculated distributions of hydrogen and helium ions in the low-latitude ionosphere//J. Atmos. Terr. Phys. 1973. V.35. №2. P.207-222.

87. Muldrew D. B. F-Layer ionization troughs deduced from «Alouette» data // J. Geophys. Res. 1965. V.70. №11. P.2636.

88. Muldrew D.B. The formation of ducts and spread F and the initiation of bubbles by field-aligned currents//J. Geophys. Res. 1980. V.85. №2. P.613-625.

89. Murphy J.A., Bailey G.J., Moffett R.G. Calculated daily variations of 0+ and He+ at mid-latitudes //J. Atmos. Terr. Phys. 1976. V.38. P.351.

90. Murphy J.A., Bailey G.J., Moffett R.G. Helium ions in the mid-latitude plasmasphere // Planet. Space Sci. 1979. V.27. №12. P.1441-1449.

91. Naghmoosh A. A., Murphy J .A. A comparative study of H+ and He+ at sunspot minimum and sunspot maximum // J. Atmos. Terr. Phys. 1983. V.45. №10. P.673-682.

92. Nicolet M.J. Helium, an Important Constituent in the Lower Exosphere // J. Geophys. Res. 1961. V.66. P.2263-2264.

93. Pavlov A.V. Mechanism of the electron density depletion in the SAR arc region // Ann. Geophys. 1996. V.14. P.211.

94. Rees M.H., and Roble R.G. Observations and theory of the formation of stable auroral red arcs // Rev. Geophys. Space Phys. 1975. V.13. №1. P.201-242.

95. Reddy C.A., Mayr H.G. Storm-time penetration to low latitudes of magnetospheric-ionospheric convection and convection-driven thermospheric winds //Geophys. Res. Letters. 1998. V.25. №16. P.3075-3078.

96. Roger A.S., Moffet R.J., Quegan S. The role of ion drift formation of ionisation troughs in the mid-latitude and high-latitude ionosphere a review // J. Atmos. Terr. Phys. 1992. V.54. №1. P. 1-30.

97. Rush C.M., Venkatesawaran. On changes in composition of the topside ionosphere // Reviews Geophys. 1965.V.3. №4. P.463-483.

98. Rycroft M.J. A review if in situ observations of the plasmapause // Ann. Geophys. 1975. V.31. №1. P.2.

99. Singh S., Bamgboye D.K., McClure J.P., Johnson F.S. Morphology of equatorial plasma bubbles // J. Geophys. Res. 1997. V.102. P.20019.

100. Summary Plots of Ionospheric Parameters obtained from Ionosphere Sounding Satellite-b. Radio Research Laboratories Ministry of Posts and Telecommunications. Japan. 1985. V. 1-4.

101. Szuszczwicz E.P., Wilkinson P., Swider W. et al. Measurements and empirical model comparisons of F-region characteristics and auroral oval boundaries during the solstitial SUNDIAL campaign of 1987 //Ann. Geophys. 1993. V.11. P.601.

102. Taylor H.A.,Jr., Brinton H.C., Pharo M.W., III, and Rahman N.K. Thermal Ions in the Exosphere; Evidence of Solar and Geomagnetic Control // J. Geophys. Res. Space Physics. 1968. V.73. №17. P.5521.

103. Taylor H.A., Jr., Grebowsky J.M., Walsh W.J. Structured variations of the plasmapause: Evidence of a corotating plasma tail // J. Geophys. Res. 1972. V.76. №28. P.6806-6814.1. HPS —

104. Taylor H.A. Evidence of Solar Geomagnetic Seasonal Control of the Topside Ionosphere // Planet. Space Sci. 1971. V. 19. P.77-93.131. (a)Taylor H.A. The light ion trough // Planet. Space Sci. 1972. V.20. P. 15931605.

105. Taylor H.A., Grebowsky J.M., Chen A.J. Ion composition irregularities ionosphere-plasmasphere coupling: observations of a high latitude ion trough // J. Atmos. Terr. Phys. 1975. V.37. №4. P.613.

106. Taylor H.A., Cordier G.R. In situ observations of irregular ionospheric structure associated with the plasmapause // Planet.Space Sci. 1974. V.22. №9. P. 12891296.

107. Tulunay Y., Sayers J. Characteristics of the mid-latitude trough as determined by the electron density experiment on «Ariel-Ill» // J. Atmos. Terr. Phys. 1971. V.33. P. 1737-1761.

108. Werner S., Prolss G.W. The position of the ionospheric trough as a function of local time and magnetic activity//Adv. Space Res. 1997. V.20. №9. P.1717-1720.