Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Возбужденные частицы и структура ионосферы

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Возбужденные частицы и структура ионосферы"

«га ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Н)! !1рН1!1!Х ]1укП]|>Н'!1 УД 1С Г)Г)!.Гз!0.5ЛГ>

Циклон Анатолий Иладаьмнроашч

Возбужденные частицы и структура ионосферы

01.00.22 - ! софи.шкп

Л|по|К'<|м'|>ат диссертации па соискаши- учсиои пччичш доктора фманко-математических наук

Москиа 1!1ЬЛ

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Г.С.Иванов-Холодный доктор физико-математических наук, профессор А.И.Ивановский доктор физико-математических наук, профессор Н.Н.Шофов

Ведущая организация :

Институт космических исследований РАН

Автореферат разослан " ? " (лЮЛЛ '993 г.

Защита состоится " С1.к7*<&.?1 1993 г.

в 40 час, оо мин, на заседании Специализированного Совета Д. 002. 83. 01 при ИЗМИРАН - 142092, г. Троицк, Московской области ( проезд автобусом 531 'от станции метро "Теплый Стан" до остановки "ИЗМИРАН" ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН

Ученый секретарь Специализированного совета при ИЗМИРАН кандидат физико-математических наук

О.П.КОЛОМИЙЦЕВ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В верхней атмосфере возбужденные частицы образуются при взаимодействии нейтральных компонентов с солнечным излучением, вторгающимися электронами, тепловыми электронами, а также в химических реакциях. Образование возбужденных частиц приводит к возникновению свечения атмосферы. Наземные, спутниковые и ракетные наблюдения этого свечения позволили получить многочисленные данные о структурэ и динамике нейтральной атмосферы и ионосферы. Среди возбужденных составляющих атмосферы можно выделить группу возбужденных компонентов, оказывающих влияние на структуру ионосферы : на распределение с высотой, широтой и долготой концентрации и температуры Т0 электронов. Это - электронно-возбужденные ионы атомарного кислорода в состояниях А),2Р, молекулы азота на уровне А32^ и молекулы кислорода в состояниях атомы

0(1Б), колебательно-возбужденные ионы Л^ЬО^икш''"^) и молекулы ^(у),О^у), вращательно-возбуждешше молекулы О*. Взаимодействие мезду возбужденными частицами и структурой ионосферы зависит от сорта возбужденных частиц, области высот, изменяется с широтой, долготой, сезоном, врс;.:энем суток, в цикле солнечной активности, при переходе от спокойных к возмущенным условиям. Поэтому проблема теоретического описания распределений возбужденных составляющих атмосферы и исследование механизмов воздействия возбувденных частиц на структуру ионосферы является одной из ключевых в физике ионосферы.

Построенные к настоящему времени теоретические модели ионосферы весьма противоречивы. В одних случаях утверждается, что только с учетом возбужденных частиц можно согласовать рассчитанные и измеренные Ие,Те, в друпя случаях делаются прямо противоположные выводы. Такая ситуация возникает в силу того, что теоретические модели ионосферы имеют много входных параметров, измеренных с определенными ошибками. Часть входных параметров ('например, потоки солнечного излучения, концентрации основных нейтральных компонентов, температура верхней атмосферы ) вычисляются с помощью корреляционных связей с геомагнитными индексами. Точность этих связей трудно оценить.

Поэтому, неучат в модели возбужденных частиц в ряде геофизических ситуапгй можно компенсировать подбором соотствующих входных параметров. Поскольку взаимодействие возбужденных частиц с ионосферой различно в различных гелиогеофизических ситуациях, то подбор входных параметров в одном случае, не дает гарантии согласования рассчитанных и измеренных Ле,Те в других ситуациях. Так, например, сильно влияет на Ые при ' высокой сол;очной активности и слабо - при низкой солнечной активности. Поэтому коррекция входных параметров при низкой солнечной активности не позволяет согласовать рассчитанные и измеренные Ме для высокой солнечной активности без введения дополнительных факторов коррекции.

В предыдущих исследованиях показано, что за счет влияния N2 можно объяснить лишь малую часть наблюдаемого уменьшения в области устойчивых субавроральных красных дуг ( БАИ-дуг ). Для объяснения этого уменьшения Ие приходится прибегать к неестественным предположениям об уменьшении 101/Ш2] в областях БАИ-дуг в 2-3 раза. Наш подход, основанный на более точных расчетах [N^1 и их влияния на Ые, позволяет решить ату проблему. ,

На средних широтах во время геомагнитных бурь при отрицательных ионосферных возмущениях в моделях без учета N2 ( или с некорректным учетом N2 ) для согласования рассчитанных и измеренных Не требуется умножить концентрации Н2,02 модели нейтральной атмосферы МБ1Б-86 на фактор 3 + 3,5, что противоречит экспериментальным данным, положенным в основу этой модели. При такой коррекции возникают трудности с моделированием положительных ионосферных возмущений.. Коррекция же по многим входным параметрам с целью согласования измеренных и вычисленных Ме,Те фактически приближает теоретическую модель к эмпирической. Такая модель будет описывать известные экспериментальные данные, но может дать ошибки при анализе новых результатов измерений и при прогнозе структуры ионосферы в ситуациях, не описываемых базой данных, на которой она построена. Поэтому так актуальна проблема корректного учета взаимодействия возбужденных частиц с ионосферой.

В последние 10-15 лет получено большое количество экспе-

риментальных данных о физико-химических процессах, определяющих распределение возбужденных частиц в верхней атмосфере. Эти данные широко используются в физике плазмы и лазеров, но лишь частично используются в аэрономии. Отсутствует единый взгляд но систему параметров, определяющих содержание возбужденных частиц в верхней атмосфере. Это также делает рассматриваемую проблему весьма актуальной и определяет цели работы :

1. Развитие теории возбужденных частиц в ионосферной плазме на основе современных теоретических методов и экспериментальных данных.

2. Исследование вариаций и установление закономерностей распределений концентраций возбужденных частиц в атмосфере средних широт в различных геогелиофизических условиях, в области полярных сияний, устойчивых субавроральных красных дуг и главного ионосферного провала.

3. Построение теоретической модели ионосферно-плазмо-сфзрного взаимодействия для средних широт на основе развития теории возбужденных частиц.

4. Исследование влияния возбужденных частиц на структуру ионосферы средних широт в различных геогелиофизических условиях, в области полярных сияний, устойчивых субавроральных красных дуг и главного ионосферного провала.

Научная новизна результатов работы. Используя современные экспериментальные данные и теоретические методы, уточнены выражения для коэффициентов диффузии Н^.О^.О^Б), скоростей образования К^.О^.О^В) при возбуждении ^.С^.О электронным ударом и скоростей изменения Те за счет этих процессов. Впервые рассчитана зависимость коэффициента скорости реакции 0(1В) с невозбувденкми молекулами от номера колебательного уровня

образующегося в реакции. Разработан новый подход для вычисления эффективных коэффициентов скоростей реакций 0+(4Б) с и 02, учитывающий вклад возбужденных молекул N2 и О*.

Использование корректного набора коэффициентов физико-химических процессов с участием возбужденных частиц позволило автору сделать новые еыводы об их относительную роли.

Впервые показано, что в ¿тйосфЭре внгпрмонизм колебательно-возбужденных молекул аэота и кислореда практически но влия-

ет на их концентрации для первых четырех-пяти колебательных уровней. Впервые найдено, что неучет энгармонизма молекул кислорода занижает их концентрации выше 10-го колебательного уровня на два-три порядка величины на высотах от 50 до 90 км.

Впервые получены квазистационарные распределения молекул N5 с учетом источников колебательной энергии, процессов колебательно-колебательного (уу) обмена и диффузии и о| - с учетом источников колебательной энергии и процессов уу-обмена. Для N2 и О2 впервые наЗдеяы аналитические решения для колебательных температур с учетом источников колебательной энергии, процессов колебательно-поступательного (уЬ) обмена и диффузии.

Первые расчеты -с учетом процесса диффузии изменения во времени колебательной температуры Ту N2 для полярных сияний различной длительности и интенсивности показали, что на высотах области Г ионосферы не происходит установления стационарных для полярных сияний с длительностью высыпания электронов менее часа.

Выполнены первые расчеты Ту Н^ в области главного ионосферного провала ■( ГИЛ ) с учетом процесса диффузии N2 в вертикальном направлении и горизонтального переноса и сделаны новые выводы об изменении 'Ту.

Впервые исследовано фондирование дневного излучения верхней атмосферы на длине волны 630 нм в области субавроральных красных дуг. Первые расчеты, проведенные на основе измеренных во внешней плазмосфере спектров электромагнитных ионно-цикло-трошшх ( ЭМИЦ ) волн, показали, что .приток энеош, .связанный с Сесстолкновителышм затуханием этих волн, мокот обеспечить наблюдаемую эмиссию ночной атмосферы на 630 юл.

В построенной автором модели ионосферно-плазмосферного взаимодействия более точно, чем в других моделях рассчитываются концентрации возбужденных частиц и их влияние на Не,Те.

Для средних широт вперьые показано, что процессы девоз-бувдешш 02(а,ле), практически не влияют на Те,

а колебательно-возбуадешше кош N0* можно не учитывать при расчетах НеДШ+]. Впервые доказано, что процесс ионизации солнечным излучением Ьа мокул О^ияО) не влияет на структуру ионосферы в дневное время, а на высотах области Р ионосферы о|>

заметно уменьшает скорость рекомбинации основного иона • 0+(4S) и увеличивает Ne.

Впервые на обширном экспериментальном материале (комплексные ракетные эксперименты "Вертикаль", комплексный ракетный эксперимент, проведенный в Австралии 3.04.t969 г. и данные некогерентного рассеяния радиоволн, полученные на ст. Миллстоун-Хшш в различные сезоны и время суток ) показано, что в геомагнитно-спокойных условиях неучет эффектов N2 приводит к сильному рассогласованию вычисленных и измеренных Ne,Те области F и внешней ионосферы при высокой солнечной активности и слабо влияет на Ne,TQ при низкой солнечной активности.

Используя данные ст. "Миллстоун-Хилл", впервые показано, что наряду с общепринятыми причинам, развитие отрицательных ионосферных возмущений IL на средних широтах связано с усилением влияния N2 на Ne,T0 при переходе от спокойных к возмущенным условиям, возрастающее с ростом солнечно? активности.

На основе первых расчетов Ту в области главного ионосферного провала вылотаены первые количественные нечеты влияния Н2 на форлу ГИП. Получены новые результаты о степени влияния Ng на скорость рекомбинации ионов 0+(4S) в области полярных сияний.

Выполнены первые расчеты изменении ео времени отклонений от больцмановского вида распределений Н2 в области SAR - дуг в зимнее и летнее время при низкой, средней и высокой солнечной активности. Впервые доказано, что для поддержания интенсивности I свечения атмосферы на 630 нм на постоянном уровне при высокой солнечной активности требуете:1 меньшее значение энергии, передаваемой от кольцевого тока т л п"г,1Ц0 объема плазмо-сферы в единицу времени, а щи низка": солнечной активности -большее значение. Поэтому, в отличив от исследований других авторов, для объяснения'наблюдаемого роста I с солнечной активностью не требуется делать предположение, что эффективность передачи энергии от кольцевого тока к плазмосфоре увеличивается с ростом солнечной активности.

Пересмотрен механизм уменьшения N„ в области SAR-дуг. Для геомагнитной бури 18.12.1971 г. наблюдаемое на спутнике Isis 2 в области SAR-дуги умет-пение электронной концентрации

- 3 -

1<1тР? в максимуме слоя ?2 в основном вызвано усилением влияния 1^2 на Ые и зависимостью от широты степени заполнения геомагнитных силошх трубок плазмой. Из расчетов Ме,Те при высокой и Ш13кой солнечной активности в зимнее время следует, что влияние N2 на ЫтР2 доходит соответственно до факторов 3,8 и 1,23.

Практическая ценность. Ионосфера и верхняя нейтральная атмосфера Земли весьма изменчивы, а космические эксперименты не могут быть частыми из-за их большой стоимости. Поэтому велика роль теоретических моделей структуры нейтральной атмосферы и ионосферы, построенных с помощью законов физики и химии и существующей экспериментальной информации об ионосфере и ' нейтральной атмосфере. Проведенные в настоящей работе исследования возбужденных частиц атмосферы позволили на основе современных экспериментальных данных и теоретических методов выявить новые закономерности распределений возбужденных частиц и пересмотреть механизма их влияния на структуру ионосферы. Построенная автором теоретическая модель ионосфорно-плазмо-сферного взаимодействия для средних широт с учетом развития теории возбужденных частиц позволила дать новую теоретическую интерпретацию результатов измерений Ме,Те в комплексных ракетных экспериментах серии "Вертикаль", для ракетного пуска 1969 г. в Австралии и данных некогерентного рассеяния радиоволн ст. "Миллстоун Хилл". Апробация модели но большом массиве измерений Ие,Те позволяет использовать ее для прогнозирования пространственных и временных вариаций Ме,Те. Результаты работы могут бить использованы для совершенствования радаоовяаи ¡и радионавигации.

Достоверность результатов роботы определяется :

1) проведением детального исследования физико-химичеошж процессов, определяющих концентрации возбужденных частиц и их влияние на структуру ионосферы на основе современных экспериментальных данных'и теоретических методов;

2) адекватностью теории и практики, установленной путем сопоставления результатов расчетов с результатами измерений для каждого конкретного случая;

3) апробацией построенной автором теоретической модели ионосфорно-плазмосферного взаимодействия на большом массиве

экспериментальных данных : комплексных ракетных экспериментах серии "Вертикаль", ракетном пуске 1969г. в Австралии и данных некогерентного рассеяния радиоволн станции "Миллстоун-Хилл".

На защиту выносятся следующие положения.

1. Развитие теории возбужденных частиц в ионосферной плазме на основе современных теоретических методов и экспериментальных данных.

2. Теоретические модели высотных вариаций концентраций возбужденных частиц в атмосфере средних широт ( в различии: геогежофизических условиях ), в области полярных сияний, устойчивых субавроральных красных дуг, главного ионосферного провала и установленные закономерности распределений концентраций возбужденных частиц.

3. Теоретическая модель ионосферно-плазмосферного взаимодействия для средних широт с учетом возбужденных частиц.

4. Результаты теоретических исследований влияния возбужденных частиц на структуру ионосферы средних широт ( в различных геогелиофизических условиях ), в области полярных сияний, устойчивых субавроральных красных дуг и главного ионосферного провала.

5. Механизм развития отрицательных ионосферных возмущений во время геомагнитных бурь.

6. Механизм уменьшения электронной концентрации в области субавроральных красных дуг.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты, основное содержание которых отражено'в 24 публикациях, • среди которых лишь одна - в соавторстве. В этой статье постановка задачи и анализ полученных результатов проводились совместно с Ю.В.Кониковым, а построение модели свачания атмосферы на 630 нм в области субавроральных красных дуг - автором.

Апробация работы и.реализация результатов исследований. Результаты работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы ( г. Москва, Институт химической физики, октябрь 1986 г. ), 9-ом Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферы.(г. Звенигород, ноябрь 1988 г. ), Всесоюзном совещании "Математические модели ближнего космоса" ( посвященном памяти В.П.Шабанского,

г.Москва, декабрь 1988 г. ), V симпозиуме КАПГ по солнечно-земной Зтаико { г.Самарканд, октябрь 1989 г. ), 10-ом Всесоюзном семшш]/- по математическому моделированию ионосферы ( г. Казань, ¡т;ъ 1990 г. ), на семинарах ИЗМИР АН. Результаты работы включены в отчеты по вшолненным в ИЗМИР »'АН научно-исследовательским работам "Пространственно-временная структура ионосферы Землк" ( гос. регистрация N 01.86.0078167 ), "Совершенствование и прогностических целях методов расчета рефракционных, энергетических, доплеровских характеристик радиоволн на основе исследования особенностей неоднородной структуры плазмы" ( гос. регистрация N 0186.00778180 ), "Исследование структуры, динамики механизмов генерации возмущений и спорадических образований в ионосфере, разработка на этой основе методов краткосрочного прогноза харакреристик распространения радиоволн" ( гос. регистрация N 01.9.10 024295 ).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, трех приложений и заключения. Общий объем -386 страниц. Из них текст диссертации и 20 таблиц - нз 303 страницах и 83 рисунка - на 83 страницах. Список литературы насчитывает 324 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность проблемы, значение проводимых исследований для практических приложений, цели работы и основные положения диссертации, которые выносятся на защиту; «с.-^тко изложено содержание диссертации и указаны работы, в которых содержится основное содержание диссертации, а также апробация работы.

В первой главе с точки зрения влияния на концентрацию и температуру электронов ионосферы из большого количество воз-буаденных частиц атмосферы выделены для анализа электронно-возбужденные ионы 0+(2D),0+C-P), колебательно-возбужденные ионы N^ív),0^v),N0+(v) и молекулы N^.O^, вращательно-возбужденные молекулы 0*. електронно-возбужденныо молекулы N2(A3e¿), 02(a1¿g),02(b1j:g) и атомы 0('d>. Для этой группы возбужденных частиц представлен краткий оозор современного состояния ис-

следований их распределений в атмосфере и влияния на структуру ионосферы. Анализ экспериментальных данных и теоретических расчетов показал, что при расчетах Ие,Те ионосферы можно не учитывать ионы 0^(7),И^у), а влияние на Ме молекул М2(Л3ец), 02(а1де),02(Ь1Е^) изучено достаточно подробно другими исследователями и в дальнейших главах не рассматривается. Автором изучается только неисследованный вопрос о воздействии процессов девозбувдения 02(а1лб), 02(Ь1е^) на Те.

Отмечаются достоинства и недостатки различных подходов, нерешенные вопросы. Сформулированы основные геофизические проблемы, для решения которых необходило изучить взаимодействие возбужденных частиц с Не и Те. Это - проблемы теоретической интерпретации образования отрицательных ионосферных возмущений Не на средних широтах во время геомагнитных бурь и уменьшения Не и изменения в цикле солнечной активности интенсивности свечения атмосферы на 630 нм в области субавроральных красных дуг, проблемы влияния возбужденных частиц на формирование главного ионосферного провала, на Ы0 области Б ионосферы и на Т0 областей Е,Е1 ионосферы средних широт ( аномально высокая Те по данным ракетных измерений ).

Подчеркивается, что в основу проводимых исследований положены ракетные экспериментальные данные ( девять запусков ракет серии "Вертикаль" около г. Волгограда, ракетный пуск 1969 г. в Австралии и ракетные пуски в области полярных сияний ), данные спутников АЕ-С, БЕ 2, 1в1а 2 и данные некогерентного рассеяния радиоволн, полученные на ст. "Миллстоун-Хилл". Путем интерпретации этих экспериментальных данных с помощью теоретических моделей, или использования зтах данных в качестве входных параметров модели, и решаются сформулированные задачи.

Вторая глава посвящена изучению Ы^,

В п. 2.1 рассматрйается N1$.

В п. 2.1.1 изучены физико-химические процессы, определяющие концентраций п^ (1-номер колебательного уровня) молекул Н* в атмосфере : процессы возбувдвшм и гашения Н2 при столкноио ■■ нии с электронами, реакции 0( 1Г)) с N2 и N с N0, обмен энергией между уровнями (У7-обмен; и м$яду колебательными и поступательными степенями свободы (у^-обмен), почти ре:>онанет$ обмен

колебательной энергией N* с колебательно-возбужденным С02 (мода у3 ) и процессы диффузии. В качестве меры колебательной энергии используется понятие среднего числа колебательных квантов а = ^ 1 ])-(/ 11 , приходящихся на одну молекулу азота,

где п = п^. При этом колебательная температура молекул азота Tv= - Е1 / In 1 <*/(1+а) ], где Е^=3353 К - энергия первого колебательного уровня Н2, выраженная в градусах Кельвина.

Доказано, ¡го выше 80-90 км обмен энергией N2-C02 сводится к стоку колебательной энергии от N2 к С02 и для расчетов Ту,о необходимо знать только [С021. Показано, что радиационные процессы ио влияют на п^,Ту. Используя уточненные данные о сечениях возбуждения N2 тепловыми электронами, уточнены скорости изменения п^.Ту, а также скорости изменения Те за счет этих процессов и получены аналитические аппроксимации для эти:, скоростей. В отличие от других исследований, учитывается диффузия N2 но только через М2, но и через 02,0. Рассчитана зависимость коэффициента скорости реакции 0(1D) с невозбуждешшми молекулами азота от номера колебательного уровня N|, образующегося в этой реакции. Доказино, что существование в атмосфере N2 не вызывает отклонения от диффузионного равновесия n(2) ( z - высота ), а при вычислении отношения n(z) к концентрации невоз-буеденного N2 с точностью до несколью!х процентов можно использовать больцмановское распределение п® молекул по колебательным уровняй.

В п. 2.1.2 получены квазистационарные распределения молекул N* с учетом источников колебательной энергии, процессов vv-обмена и диффузии и аналитические решения уравнения для <* с учетом источников колебательной энергии, процессов vt-обыона и диффузии.

Результаты расчетов Ту.п^ в атмосфере средних широт представлены в п. 2.1.3.

Рассчитаны сезонные вариации колебательных температур Ту и Ту молекул N* и СО* на высотах от 60 до 150 км в дневной и ночной атмосфоре средних широт. Кэ всех высотах Ту > Ту, т.е. межмодовое взаимодействие колебательно-возбужденных молекул N2 с С02 приводит к стоку колебательной энергии N|. Ниже примерно

115 км Ту,Ту зимой ниже , чем летом. В зимнее время в области D величины TV,T^ < Тп ( Тп- температура нейтральной атмосферы ), т.е. сильный межмодовый обмен трансформирует колебательную энергию в колебательную энергию С02 с последующим излучением С02 на 4,26 мкм. Величина п1 « п®.

Используя в качестве входных параметров модели результаты измерений Te,Ne и концентраций г^ нейтральных компонентов, рассчитаны Ту.п^ на высотах от 120 до 500 км для девяти комплексных ракетных экспериментов серии "Вертикаль" при зенитных углах Солнца 76s х s 84° и австралийского комплексного ракетного эксперимента ( 3.04.1969 г., х = 43,5°), проведенных в геомагнитно-спокойных условиях при низкой, средней и высокой солнечной активности. Во всех случаях на высотах области F2 и внешней ионосферы отношения п^/п|>1 для 1>1. В большинстве случаев отношение n^n^s 1, причем п1 слабо отличается от п®. С ростом солнечной активности происходит умегтшение n^/п® СI > 1) и увеличение г^/п^.Ту, Tv-Tn. На высотах, пр-звосходящих 1^2 ( высота максимума слоя F2 ) отношения n^/n® a const.

Данные станции некогерентного рассеяния радиоволн "Милл-стоун-Хилл" в гесмагнитно-спокойный период были использованы для расчета сезонных и суточных вариаций Tv,nj/n® при повышенной солнечной активности на высотах от 120 до 500 км. Из расчетов следует, что величина Tv-Tn не превосходит 300,150, 200 К соответственно в летнее, весеннее и зимнее время, причем при переходе ото дня к ночи происходит уменьшение Т7-Тп. В зимнее время на высотах области F ионосферы и выше температура Т„ меньше, чем Tv летом или весной. tv*:i переходе ото дня к но-

R

чи величии п</п, увеличивается во рсз сезоны, а значение

R

п2/п2 Уменьшается летом и зимой и увеличивается весной.

В п. 2.1.4. представлены результаты расчетов Tv,nt я области полярных сияний для условий комплексного ракетного эксперимента. Рассчитаны изменешю во времени на высотах от 110 до 500 км для полярных сияний различной длительности At и интенсивности. С ростом высоты и интенсивности сияния и при увеличении At увеличиваются Т... Значения пл1а2) значительно

R R R

отличаются от nj, а и, » п". Отличие ¡м от наиболее заметно

на начальной стадии высыпания электронов.

Показано, что до начала ночного полярного сияния при низких значениях частот образования колебательных квантов w=lO_rf+ 10Ar1 но происходит компенсации переноса Nl> сверху вниз процессом диффузии v. значения Ту< Тп выше 150-180 км ( Ту< Тп получается в расчетах только при учете неизотермичнссти нейтральной атмосферы ). Во время полярных сияний с длительностью высыпания электронов менее часа на высотах области ¥ ионосферы величина At меньше или сопоставима с характерным временем изменения Ту, ?.е. здесь не происходит установления стационарных Т... Выше 200 юл заметное отличие Т.. от Тп возможно за счет

. V V II Г О

возбуждения Н2 тепловами электронами с Ne а (1+2)-10 см ° и Те*2000 К. Результаты расчетов Ту сопоставимы с результатами определешш Ту по измерения!.! интенсивности свечения атмосферы.

В д. 2.1.5 в приближении ангармонических осцилляторов рассчитаны Ту.п^/п® в области.высот 120-500 юл для условий SAR-дуг. Ангармонизм N* практически не влияет на 1^(1=1-5) и Ту. На всех высотах величины п^/п® (1=1,2) уменьшаются np.s увеличении интенсивности I свечения на 630 шл. На третьэм и более высоких уровнях увеличение I приводит к уменьшению п^/м® на высотах , где преобладает диффузия . При низких значениях I величины Mj/rij (1 = 3,4,5) не имеют максимума, а при высоких 1 этот максимум образуется. Выше 310 км величина n^/nj = шах для 1=5. При уменьшении высоты происходит увеличение номера уровня, для которого nj/n®= шах. Значение Ту монотонно возрастает с ростом I.

Рассчитаны Ту.п^/ п^, в области SAR - дуги с I » 700 R на L= 2,8 и вне SAR - дуги на фазе восстановления геомагнитной бури 18.12.1971 г. с использованием данных спутника lala 2. В ночное время в районе SAR-дуги на высотах области F2 ионосферы увеличиваются nj/ п®( 1>1) и уменьшается п, / п® по сравнению г; областью вне дуги. На первом и втором колебательных уровнях в ночное время п^ слабо отличается от п® вне дуги, в области дуги ото отличие не превосходит фактора 2. В начале фазы восстановления ( * 15.00 LT ) магнитной бури после увеличения Tßf связанного со взаимодействием плазмосферы с кольцевым током, происходит увеличение Ту, Ту-Тп до примерно 16.30-17.00 LT с

максимальным значением Т7-Тп=460 К в 17.00 ЬТ, причем Т7 слабо отличается ог Тп вне БАЯ-дуги. Исследованы вариации Ту.п1/ п^, с сезоном и в цикле солнечной активности в области БАЯ-дуг для геомагнитных бурь при тех же индексах Кр, что и для бури 18.12.1971 г. В ночное время при переходе от зимы к лету происходит увеличение п,/п® и уменьшение п^/п® (1>1). В области Р2 до примерно 20.30 ЬТ Ту-Тп выше при низкой, чем при высокой солнечной активности. При высокой солнечной активности Ту слабо меняется во времени. С ростом солнечной активности в ночное время увеличивается п^п® и уменьшаются (1>1).

В п. 2.1.6 для области главного ионосферного провала (ГИП) проанализированы источники N2 и показано, что заметное отличив Ту от Тп возможно только за счет реакции 0( Ь) с 1)2 и при возбуждении тепловыми электронами. Рассчитаны Ту на высотах от 120 до 500 км в области ГИП с учетом горизонтального переноса нейтральным ветром Я2 из области высыпания низкоэноргич-ных электронов. При умеренных значениях частот образования колебательных квантов ч * 10~^с~1 на полярной стенке ГИП, в области ГИП значение Ту < 1400 К; при V» а 3-10_Бс-1.- Ту сильно отличается от Тп кок при высокой, так и при низкой солнечной активности вблизи минимума ГИП. Усиление нейтрального ветра приводит к более плавным изменениям с широтой Ту.

В п. 2.1.7 исследованы вариации Т^п^/п® на средих широтах на высотах от 120 до 500 км во время отрицательных дневных ионосферних возмущений Ме, измеренных 16.06.1965 г. на ст. "Миллстоун-ХшиГ во время геомагнитной бури 15-17 июня 1965 г. ( низкая солнечная активность )и 17.08.1970 г. во время геомагнитной бури 16-18 августа 1970 г. ( повышенная соличная активность), а также для отрицательных ионосферных возмущений Ме при низкой и высокой солнечной активности в условиях средне:™ ротной обсерваторий г. Калининграда. Показано, что при переходе от геомэгнктно-спокойных к возмущенным условиям происходит уменьшение п1/п^(1^3,4) и увеличение Т7, Ту-Тп, причем с ростом солнечной активности уменьшаются п^/п|(1=3,4) и увели-чиваюся Ту. В окрестности .^2 при переходе от гёомагнитно-спокойных к возмущенным условиям происходит увеличение откло-

нония п,/П| от единицы ( 0,9 < п,/^ 1 ). Заметное отличие Ту от Тп связано с возбуждением И2 тепловыми электронами.

В п. 2.2 рассматривается 0^.

В п. 2.2.1 изучены физико-химические процессы, определяющие концентрации (1-номер колебательного уровня) молекул 02 в атмосфере : процессы возбуждения и гашения 02 при столкновении с электронами, реакции 0(с 02, 0 с 0^ и реакция фотолиза оионз, V/ и У1-обмен энергией, мекмодовый обмен энергией N»-0* и процессы диффузии. В качестве моры колебательной энергии о* используется понятие среднего числа <*' колебательных 1свантов, прихододящихся на одну молекулу 02 : а'= ^ 1 N.

где N = ^ При этом колебательная температура Ту(02) =

- Е', / 1п [ а'/ (Па') ), где Е^ = 2239 К - энергия первого колебательного уровня 02, выраженная в градусах Кольиина.

Доказано, что на ^,Ту(02) не влияют радиационные процессы и обмен энергией 02-М2- Используя уточненные данные о сечениях возбуждения 02 топловыми электронами, уточнены скорости изменения М1,Ту(02),Те за счет этих процессов и получены аналитические аппроксимации для этих скоростей. В отличие от других исследова!гий, учитывается диффузия 02 через ^.02,0. Доказано, что N(2) не отклоняется от диффузионно-равновесного распределения за счет о!- При вычислении отношения Н(г)/Ы0(г) с точностью до нескольшх процентов можно использовать Сольцма-новское распределение И® молекул по колебательным уровням.

В п. 2.2.2 получены квазистационарные распределения ^ с учетом источников колебательной энергии и процессов уу-обмена и найдено аналитическое решение уравнения для а' с учетом источников колебательной энергии, процессов у^обмена и диффузии.

Результаты расчетов Ту(02),Л1 в атмосфере средних широт представлены в п. 2.2.3.

В приближении моделей гармонического и ангармонического, осцилляторов рассчитаны концентрации 02 на первых семнадцати колебательных уровнях на высотах от 50 до 90 км в дневной и ночной атмосфере средних широт. Показано, что 0|(1>Ю) в основном образуются в реакции 0 с 03. Неучет энгармонизма 02 занижает (1>10) На два-три порядка величины. В ночное

время величина Nj больше, чем в дневное время.

Для девяти комплексных ракетных экспериментов серии "Вертикаль- на высотах от 120 до 500 км рассчитаны Nj Ту(02)о Выше примерно 350 км. где преобладают процессы диффузии, значения Nj/N® и Ту(02) слабо изменяются с высотой, причем здесь величины Nj/Njd 3,4,5), N,/N^>1. В большинстве случаев с ростом солнечной активности происходит увеличение Tv(02)„

В п. 2.3 рассматриваются вобужденные атомы Ot^D).

В п. 2.3.1 изучены физико-химические процессы, определяющие концентрации 0(1D),N(2D) в атмосфере ( исследование N(2D) связано с учотом образования 0(1D) в реакции N(2D) с 02 ). Используя современные данные по сечению возбуждения 0(1D) электронным ударом, получено более точное аналитическое выражение для скорости образования 0(1D) при столкновении атомов кислорода с тепловыми электронами и соответствующее выражение для скорости охлаждения тепловых электронов.

В п. 2.3.2 исследована относительная роль процессов образования, гибели и переноса 0(1D),N(2D) в верхней атмосфере на основе экспериментов серии "Вертикаль". Рассчитаны объемные скорости V(z) излучения верхней атмосферы на 630 нм в сравне-ниии с результатами ракетных измерения V(z). Показано, что неучет процесса фотодиссоциации 02 дает ошибку до 23 % при расчетах (0(1D))« причем максимальная погрешность приходится на высоти 140-150 км. С ошибкой до нескольких процентов при вычислении (O('lJ)] можно испольговать N^ с Ту(02)=Тп при учете процесса фотодиссоциации 02. Доказано, что относительная роль процесса образовать 0(fD) при столкновении атомов кислорода с фотоэлектронами уменьшается с ростом солнечной активности.

Результаты расчетов (0('d)Io V(z) и интегральной интенсивности I свечения атмосферы на 630 нм в области устойчивых субавроральных красных дуг приведены в п. 2.3.3. Показано, что в дневных условиях формируется нижний максимум V(z) на г- 220240 км за счет возбуждения 0('d) фотоэлектронами. При высоких значениях потока тепла электронов из плазмосферы FQa(2+4) • Ю10 эВ-см"2с-1 формируется второй максимум V(z) ( около 450-500 км) или перегиб (выше 450-500 км) на V(z), связанные с возбуждением 0(1D) тепловыми электронами. Расчеты, проведенные на

основе измеренных во внешней плазмосфере спектров ЭМИЦ-волн, показали, что указанные повышенные значения FQ могут быть связаны с бессг^асновитолышм затуханием этих волн. По сравнению с предыдущими исследованиями ( при тех же значениях Ne и примерно таких «о Р0 ), получены более низкие величины V и I. Процесс возбуждзнля 0(1D) тепловыми электронами вносит основной вклад в величину I в сравнении с реакцией диссоциативной рекомбинацией 02 при Р0 2 2-iOl03B-ct.fc~1.

Рассчитана [0(1D)) в области SAR-дуги с I = 700 R на I, =• 2,8 и вне SAR-дуги на фазе восстановления геомагнитной бури 18 декабря 1971 г. с использованием данных спутника Isis 2. Теоретическая I хорошо согласуется с измеренной I. Исследованы вариаций [0(1,1 с сезоном и в цикле солнечной активности в области SAR-дуг для геомагнитных бурь при тех же индексах Кр, что и для бури 18.12.1971 г. В ночное время при переходе от зимы к лету происходит уменьшение I, что согласуется с имеющимися экспериментальными данными по сезонным вариациям I. Доказано, что для поддержания I на постоянном уровне при высокой солнечной активности требуется меньшее, чем при низкой солнечной активности значение энергии, передаваемой от кольцевого тока к единице объема плазмосферы в единицу времони. Поэтому, в отличие от исследований других авторов, для объяснения наблюдаемого роста I с солнечной активностью не требуется делать предположение, что эффективность передачи энергии от кольцевого тока к плазмосфере увеличивается с ростом солнечной активности.

В третьей главе построена теоретическая модель структуры и динамики ионосферы и плазмосферы с учетом возбужденных частиц и развития теории процессов переноса электронов и ионов.

В п. 3.1 рассмотрены процессы переноса ионов и электронов ионосферной плазме. В приближении метода Чепмена-Экскога развита теория диффузии и. термодиффузии ионов вдоль магнитного поля в многогомпонентной смеси неравновесных ионизованных газов и рассчитаны факторы термодиффузии и поправки к коэффициентам диффузии ионов во втором и третьем приближениях разложения по полиномам Оонина. Уточнен вид частот столкновений ионов Н^О"1" с атомами гелия и частот столкновений электронов с

атомами кислорода.

В п. 3.2 исследуется тепловой баланс электронов и ионов. Во втором и третьом приблиташях разложения по полиномам Сошь на метода Чопмена-Энскога получены выражения для козф&щкетов теплопроводности, электрической и электротермической проводимости электронов вдоль магнитного поля для произвольной много-гомпонентной смеси неравновесных ионизованных газов.

Фотоио1шзация нейтральных компонентов и химические раак-Щ1и с участием ионов О^.Н4",Ю+,02,М2 изучены в п, 3.3»

Разработан новый подход для вычисления эффективного коэффициента скорости реакцш ионов 0+(43)' с молекулами азота. Коэффициент скорости реакции ионов с молекулами невозбук-дошюго Н2 отождествляется с коэффициентом скорости реакции, вычисленным из результатов экспериментов з установках с переменными электрическими полями в дрейфовых трубах и буферном газе Не. Получена эолитическая аппроксимация для вычисления коэффициентов скоростей реакций ионов (Г^Б) с молекулами при произвольных соотношениях ме;;щу Тп и температурой нойон с учетом влияния электрического поля и при значениях еф-фективпой темпоратуры 300 ¿Та 2000 К. Имеющиеся измерения эффективного коэффициента скорости реащш ионов 0+('%) с молекулам! азота хорошо описываются предложенной аппроксимацией.

Рассогласование моаду измерениями эффективного коэффициента скорости реакции ионов 0+( в) с молекулами кислорода в дрейфовых трубрх с переменными электрическими полями и в установках с реальным нагревом газа устраняется путем введения зависимости коэффициентов скоростей реакций 0+(48) с молекулами вращятелыга-возоувденного кислорода от номера вращательного уровня. В полученной аналитической фордов эффективный коэффициент скорости зависит от ТрТп и электрического поля через эффективную температуру и непосредственно от Тп ( эффект влияния вращательного возбувдеяля 02 ).

В п. 3.4. приводится схема разработанной модели ионосфер-но-плазмосферного взаимодействия. В модели выше 160 юл рассчитываются концентрации ионов 0+С ,Н+ и температуры электронов и ионов. На высотах от 120 до 600 км в северном и южном полушариях вычисляются концентрации ионов Ш+,02,112.04'(2В),0+(2Р),

•атомов 0(1Б),Щ1Б), молекул N2 ( пять колебательных уровней ) и среднее число колебательных квантов, приходящихся на одну молекулу азота. Рассчитываются концентраций на первом и втором колебательных уровнях, необходимые для вычисления концентрации 0(1Б). Учтено влияние на структуру ионосферы ^.О^, 0£,0(Ъ).0+(?В).0+(2Р>. В модели используются третье приближение к коэффициенту теплопроводности электронов и третье приближение к коэффициентам термодиффузии: и поправкам к коэффициентам диффузии ионов, полученные методом Чепмена-Энскога, а также уточненные значения частот столкновений ионов Н+,0+ с атомами гелия и частот столкновений электронов с атомами кислорода.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния возбужденных частиц на Не и Те ионосферы.

В п. 4.1 изучено влияние возбужденных ионов на N.. Рас-

I р 4. р I и

считвны [СГ( Б)] ДО ( ?)],[1'Ю (v)] для условий комплэксных ракетных экспершентов серии "Вертикаль". С погрешностью менее 5 % можно пренебречь зависимостями от Не следующих величин : 10^(2Р)] (ниже 500 км), [0+(2В)) (ниже 240-280 км), 00 (скорость образования ионов 0+(43)) - ниже 300-330 1см. Вблизи неучет зависимостей [0+(2Б)1 и [0+(2Р)1 от Ые при повышенной солнечной активности завышает С30 примерно'до Ю % , а на высоте 400 км - до 20 - 30 % . При низкой и средней солнечной активности эта погрешность не превышает нескольких процентов. Если при расчетах [0+(43)3 не учитывать образования ионов 0+(%)),0+(2Р) и считать, что в реакциях ионизации атомов кислорода фотонами и фотоэлектронами образуются только ионы 0+(43), то это приведет к завышению [0+(4Б)) в 1,2 - 1,6 раза выие 160 км. Исходя из измерений коэффициентов Энштейна и коэффициентов тушения ионов Л0+(у) молекулами, показано, что под действием быстрых радиационных процессов и процессов коло. бательной релаксации ионов Ш+(у) с молекулами, ионы Ш+(у>0) преобразуются в невозбужденные ионы Ш+(0), которые вступают в реакцию диссоциативной рекомбинации. Согласно проведенным расчетам, ниже 200 км 1Ш+(у=1,2)]/[Ю+(у=0)] < 2-Ю-2 и при расчетах Не и суммарной концентрации ионов Ж)+ можно не учи-

тывать вклад колебательно-возбужденных ионов Ш+„ На примере данных ракет серии "Вертикаль" показано» что на высотах областей Еи?1 ионосферы рассогласование между рассчитанными и измеренными связано с неопределенностями входных параметров теоретической модели и ошибками измерений Ие.

В п. 4.2, используя данные комплексных ракетных экспериментов "Вертикаль - 4,6,7", показано, что процессы девозбужде-ния N¡5, 02(а1А^), 02(Ь1е^) практически не влияют на В п. 4.3 изучено влияние О^.О* на Ме„ Доказано, что процесс ионизации солнечным излучением Ьа мокул 0^(1>10) не влияет на Ме,Те в дневное время. В ночное время этот дополнительный источник ионизации не сущесвенен при расчете электронной концентрации, но вносит вклад в скорость образования 02. Показано, что на высотах области Р ионосферы молекулы 02 заметно уменьшают скорость рекомбинации ионов 0+(43) и увеличивают Ид. С ростом индекса Кр практически во всех случаях происходит увеличение влияния' о| на Не»

Влияние М* на Не,Те ионосферы средах и низких широт в геомагнитно-спокойных условиях рассмотрено в п. 4.4.

С помощью модели плазмосферно-ионосферного взаимодействия рассчитаны М0,Те в ионосфере и плазмосфере в условиях комплексных ракетных экспериментов яВертикаль-4,б,7" ( спокойные условия, низкая и высокая солнечная активность ) и комплексного ракетного эксперимента, проведенного в Австралии 3.04.1969 г. ( спокойные условия, высокая солнечная активность ). На высотах области ? ионосферы при высокой солнечной активности не-, учет эффектов И* приводит к рассогласованию вычисленных Пе я Т, с измеренными Ме ( на фактор 1,5 + 1,9 ) и Те ( до 800 К ). Влиянием N2 на Ме,Те при низкой солнечной активности можно пренебречь. Суточные и сезонные вариации Ые„Те, измеренные методом нокогерентного рассеяния радиоволн на ст. "Миллстоун-Хилл" при повышенной солнечной активности хорошо согласуются с рассчитанными Ме,Те при учете эффектов N¡5 и не согласуются -без учета в модели N5. Весной и летом в ночное время И2 слабо влияет на Те ионосферы. На высотах области I ионосферы в дневных условиях влияние на Те летом больше, чем зимой, или

весной. При Те > 1700-1800 К на высотах области Р ионосферы ' возникает сильная нелинейная взаимосвязь между Не и Те.

Влияние N2 на Ые над геомагнитным экватором ниже, чем на средних широтах, уменьшается при уменьшении солнечной активности и при низкой солнечной активности этим влиянием можно пренебречь.

Влияние' N2 на Ме,Те ионосферы средних широт в период отрицательных ионосферных возмущений ( ОИВ ) во время геомагнитных бурь рассмотрено в п. 4.5.

Во время геомагнитных бурь разогрев высокоширотной атмосферы приводит к возникновению возмущенных термосферных ветров, направленных к экватору. Это вызывает увеличение Ш2Ы02)Д0] при уменьшении отношений [0]/Ш2] и [03/ [021, что приводит к уменьшению N^2. Большие значения'скоростей возмущенных термосферных ветров, направленных к экватору, сохраняются и тогда, когда изменения состава уже развиты, что увеличивает N^2, й^,, т.е. противодействует развитию ОИВ и не позволяет согласовать вычисленные и измеренные Не без учета аффектов Н2.

Сравнение результатов расчетов и измерений Не,Те для условий ст. "Миллстоун-Хилл" во время геомагнитных бурь 19.04. 1984 г. и 15-17 июня 1965 г. показывает, что при низкой солнечной активности ОИВ не сопровождаются увеличением Те ионосферы настолько заметным, чтобы за счет только аффектов М2 можно было объяснить наблюдаемое ОИВ. Дня согласования измеренных и вычисленных К0,Те во врем ОИВ 19.04.1984 г. требуется увеличить Ш2Ы021 модели МЗК-вб на фактор 3 - для 9 ЬТ .и фактор 1,8 - для 12 и 16 ЬТ, либо на факторы 2,2; 1,3; 1,6 -для 9;12;16 ЬТ, если [01 нэ зависит от индекса Кр. Во время дневного ОИВ 16.06.1965 г. для согласования с теоретическими значениями измеренных Т0 и высотных градиентов Те в модели необходимо ввести дополнительный источник нагрева электронов плазмосферы : выше 700 км в уравнении теплового баланса ско-• рость нагрева электронов за счет взаимодействия со сверхтепловыми електронами должна быть умножена на фактор 5 для Ю ЬТ и фактор 2,5 для 12 ЬТ. Для согласования измеренных и вычисленных Ые,Те не требуется введения факторов коррекции для Ш21, [021,(0] модели Е31$-86, что говорит об их случайной природе,

связанной с неопределенностью их прогноза в возмущенных условиях. Если в модели не учитывать влияния N2 на M8„îQe то для согласования вычисленных и измеренных Не„Т0 нужно увеличить концентрации N2,02 модели MSIS-86 в 1,4 раза.

Для условий дневного ОИВ 30.09,19-59 г„ (средняя солнечная активность) и дневного ОИВ 17.08.1970 г. (повышенная солнечная активность) сравнение результатов измерений Ne,Te, выполненных на ст. "Миллстоун-Хилл", с результатами расчетов Ne„Te во время геомагнитных оурь показывает, что используя модель MSIS-86 и значения скорости дрейфа плазмы„ близкие к реальнш (коррекция по данным ст. "Миллстоун-Хйлл" ) = с учетом эффектов n| можно согласовать измеренные и вычисленные Ne„Te и объяснить существование ОИВ. Если в модели не учитывать влияния N2 на Ne,Te, то для согласования вычисленных и измеренных К0/Ге нун-но увеличить концентрации N2,02 модели HSIS-86 в 2,7 и 3-5-3,5 раза при средней и повышенной солнечной активности, что противоречит экспериментальным данным, полокенным в ее основу.

Показано, что учет отклонения распределения к| от больц-мановского вида слабо влияет на Ne,Te ионосферы и шгазмссферы средних широт, как в спокойных, так и в возмущенных условиях.

В п. 4.6 исследовано влияние N| на Ne электронов в областях главного ионосферного провала Ne , субавроральиюс красных дуг и полярных сияний.

Показано, что при слабых изменениях часоты w образования колебательных квантов при переходе от зоны высыпания электронов к области ГШ влияние N2 на Ne будет примерно 'одинаковое как на полярной стенке, так и в минимуме ГИП , т.е.. N2 слабо влияет на форму ГИП. При резком уменьшении частоты при переходе от полярной стенки к минимому ГИП на высотах области F форма ГИП зависит от N*. При умеренных w а Ю^с-' перенос нейтральным ветром слабо влияет на форму ГИП. При высоких я г 3-Ю"5с"' в области полярной стенки, N2 сильно влияет на Ne и форму ГИП при высокой и низкой солнечной активности. Усиление нейтрального ветра приводит к более плавным изменениям с широтой степени влияния N2 на Ne, т.е. тем самым ослабляется влияние Jfj на форму ГИП при усилении влияния N2 на Не. При увеличении электрического поля, перпендикулярного магнитному

.полю, происходит усиление влияния N| на форму ГИП.

В области полярных сияний ниже примерно 150 км N2 слабо влияет на концентрацию ионов 0+(4S), а на высотах области F2 ионосферы неучет реакции Н2 с 0+(4S) занижает в 1,1+1,7 раза коэффициент L скорости рекомбинации ионов 0+(4S) .

В области субавроральных красных дуг неучет реакции N2 с 0+(4S) приводит к занижению до фактора 1,7 + 6,8 коэффициента L в окрестности 1^2. При расчетах L и скорости изменения Те за счет столкновений N2 с тепловыми электронами с точностью до нескольких процентов можно пренебречь влиянием энгармонизма Л2 и с ошибкой до фактора 1,1+1,6 можно использовать больцманов-ское распределение N2 по колебательным уровням.

Используя модель ионосферно-плазмосферого взаимодействия, исследованы механизмы уменьшения Ne в области SAR-дуг. Для геомагнитной бури 18.12.1971 г. наблюдаемое на спутнике Isls 2 уменьшение NmF2 в области SAR-дуги в основном вызвано резким усилением влияния Н2 на Ne за счет высоких Те и зависимостью от широты степени заполнения геомагнитных силовых трубок плазмой. Влияние N2 на NmF2 доходит до фактора 2,4. Показано, что для области SAR-дуг в соответствие с экспериментальными данными модельные Те практически не меняются при переходе от зимних к летним условиям. Из расчетов Не,Те в зимнее время следует, что влияние N2 на iy?2 доходит до факторов 3,8 и 1,23 соответственно при высокой и низкой солнечной активности.

В заключении сформулированы основные результаты работы : • 1. Используя современные экспериментальные данные и теоретические методы развита теория возбужденных частиц в ионосферой плазме :

1) Уточнены коэффициенты диффузии, скорости образования возбувденных частиц и скорости охлаждения электронов при возбуждении атомов и молекул атмосферы электронным ударом.

2) Разработан новый подход для вычисления эффективных коэффициентов скоростей реакции 0+(4S) с N2 и 02, учитывающий влияние возбуждения молекул. Впервые рассчитана зависимость от номера колебательного уровня N2 коэффициента скорости реакции 0(b) с n2.

3) Пересмотрена относительная роль процессов образования, гибели и диффузии возбужденных частиц на основе более точных коэффициентов скоростей процессов.

4) Получены квазистационарные аналитические выражения для концентраций возбужденных частиц.

2. Построены модели высотных распределений возбувдешшх частиц в типичных геогелиофязических ситуациях

1) Используя данные девяти комплексных ракетных экспериментов серии "Вертикаль'", австралийского комплексного ракетного эксперимента 1969 г. и станции некогерентного рассеяния радиоволн "Миллстоун-Хилл", выявлены .новые закономерности в вариациях возбужденных частиц на средних широтах в цикле солнечной активности, с сезоном и в течении суток в спокойных условиях и во время отрицательных ионосферных возмущений.

2) Впервые доказано, что на высотах'Области Г ионосферы не происходит установления стационарных колебательных температур во время полярных сияний с длительностью высыпания электронов меное часа.

3) Впервые в приближении ангармонических осцилляторов рассчитаны концентрации N2 высотах от 120 до 500 км для условий БАИ-дуг- Используя измеренные то внешней плазмосфере спектры ЗМИЦ-волн. показано, 'чшо нагрев электронов плазмосферы при бесстолкновшельном затухании -этих волн достаточен для объяснения наблюдаемых интеноивностей I свечения на 630 нм и данный •механизм может быть одним дз источников БАИ-дуг. В отличие от результатов других авторов доказано, что для объяснения наблюдаемого роста I с солнечной активностью не требуется предполагать, что эффективность передачи энергии от кольцевого тока к плазмосфере увеличивается с ростом солнечной активности.

4) Впервые построена модель колебательной температуры N2 на высотах от 120 до 500 км в области ГИП о учетом горизонтального переноса нейтральным ветром N2 из области высыпания низкоэнергичных электронов и установлена её зависимость от частоты образования колебательных квантов и скорости ветра.

3. Построена среднеширотная модель ионосферно-плазмосфер-ного взаимодействия с учетом развития теории возбужденных частиц. •

Изучено влияние возбужденных частиц на структуру ионосферы в типичных геогелиофизических ситуациях :

1) На средних широтах на высотах области F ионосферы неучет возбужденных частиц приводит к сильному рассогласованию вычисленных Ne,Te с Ne,Te, измеренными в комплексных ракетных экспериментов серии "Вертикаль", австралийском комплексном ракетном эксперименте 1969 г. и станции некогерентного рассеяния радиоволн "Ыиллстоун-Хилл". Это влияние больше летом, чем зимой, увеличивается с ростом солнечной и геомагнитной активности. Впервые показано, что кроме уменьшения отношений Ю1/Ш2] и [0)/[021, развитие отрицательных ионосферных возмущений Ne обусловлено усилением влияния N2 на Ne,Te. Впервые доказано, что возбужденные частицы не влияют на структуру областей D,E ионосферы.

2) Впервые показано, что при слабых изменениях частоты образования колебательных квантов при переходе от зоны высыпания электронов к области ГИП ( или при малых ее значениях ) Н2 слабо влияет на ГИПС а при резком уменьшении частоты - N| углубляет ГИП. Усиление нейтрального ветра приводит к ослаблению влияния N2 на форму ГИП при усилении воздействия на Ne.

3) Пересмотрен механизм уменьшений Ве в области SAR-дуг. Для геомагнитной бури 18.12.1971 г. наблюдаемое на спутнике Isla 2 уменьшение NmF2 в области SAR-дуги в основном вызвано усилением влияния n| на Ne за счет высоких Те и зависимостью от широты степени заполнения геомагнитных силовых трубок плазмой. В области дуги влияние Н2 на Не возрастает с ростом солнечной активности.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Павлов A.B. Метод учета влияния колебательно-возбужденного азота на состав ионосферы // Препринт N 76 (609).Ы. : ИЗМИРАН,

1985. - 24 с.

•2. Павлов A.B. Коэффициент скорости реакции 0+ с колебательно-возбужденным N2 в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия.

1986. Т.26. N 1. С.166-168.

3. Павлов A.B. Скорость охлаждения тепловых электронов при возбуждении колебательных уровней N2 электронным ударом .

// Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26. H 4. С.669-670.

4. Павлов А.В- Методика учета влияния колебательно-возбужденного азота на состав ионосферы в прогностических моделях // Ионосферные исследования. 1987. N 43. С.72-87. М.: Советское радио.

5. Павлов A.B. Колебательные температуры Ng,^ в областях E„D ионосферы средних широт // Геомагнетизм и аэрономия. 1987.

Т.27. N 4. С.586-590,

6. Pavlov A.V. The role of vlbratlonally excited nitrogen In the ionosphere // Pure and appleld geophysics, 1988, V.127. N 2/3. P.529-544.

7. Павлов A.B. Возможная точность прогнозов основных параметров ионосферы // Прогнозирование ионосферю-нагнитосфершк возмущения и солнечной активности.-tí.: Наука. 1987. С. 175-191.

8. Павлов A.B. О колебательной температура молекулярного азота в области поляр;пк сияний // Геомагнетизм и аэрономия. 1988, Т.28. N 3. С.437-441.

9. Павлов A.B. Проверка схемы расчета электронной концентрации по данным ракетного эксперимента "Вертикаль-^" // Геомагнетизм и аэрономия. 1938. Т.28. И 4. С.632-638,

10. Павлов A.B. Сравнение данных комплексного ракетного эксперимента с модельными расчетами электрашЛ концентрации области F в максимуме солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т.29. N 2. С.260-264,

11. Павлов A.B. О содержании о| в верхней атмосфере и влиянии t¡2,02 на электронную концентрацию // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т.29. N5. С.818-823.

12. Павлов А,В, 0 роли колебательно-возбуэденного азота в области устойщшшс субавроральных красных дуг // Геомагнетизм ш аэрономия. 1989. Т.29. N 6. С.948-9:>:.„

13. Павлов A.B. О свечении атмосфера на 630 нм по ракетным измерениям "Вертикаль-6 и 7" // Геомагнетизму аэрономия. 1990. Т.30. N 2 . С. 261-267.

14. Павлов A.B. К интерпретации измерений концентрации электронов на ракетах "Вертикаль-6 и -7" // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т.31. N 2 \ С.308-311.

15. Павлов A.B. К интерпретации данных нокогерентного рассеяния радиоволн на Миллстоун-Хилле при повышенной солнечной ак-

тивносги // Геомагнетизм и аэрономия. 199t . Т.31 . И 4 . С. '664-668.

16. Konlkov УЛ. Pavlov A.V. On alrglow at 630 ш wavelength In the SAR - aras region // Ann. Geophys. 1991. V. 9. « 8.

P. 540-454.

17. Павлов A.B. К интерпретации измерений электронной концентрации на-ракетах "Вертикаль-4,6,7И // Космические исследования, Î991. Т.29. N 4. С. 576-581.

18. Павлов A.B. К интерпретации отрицательных возмущений электронной концов грации во время геомагнитных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. 1992.. Т.32. N 2 . С. 308-312.

19. Павлов A.B. К интерпретации измерений концентрации л температуры электронов на станции Миллстоун-Хилл во время геомагнитной бури 19 сентября 1984 г. //' Геомагнетизм и аэроно;шя. 1992 . Т.32. N 3, С.24-28.

20. Павлов A.B. О концентрации колебательно-возбужденного кислорода в атмосфере и его влиянии на структуру области D ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. т.32. N 5. С. 83-93.

21. Павлов A.B. О влиянии возбужденных частиц на температуру электронов областей Е,Р1 ионосферы в условиях ракетных экспериментов "Вертикаль - 4,6,7" // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. N 5. С. 123-127.

22. Павлов A.B. О влиянии колебательно-возбужденного азота на формирование главного ионосферного провала электронной концентрации области F ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. N 6. С. 54 - 60.

23. Павлов А'.В. Механизм уменьшения электронной концентрации в области устойчивых субавроральных красных дуг // Препринт

N 79 (1026). М. : ИЗМИРАН, 1993. - 16 с.

24. Павлов A.B. Интерпретация измеренных на станции "Миллстоун-Хилл" отрицательных возмущений электронной концентрации во врет геомагнитных бурь 15-17 июня 1965 г. и 16-18 августа 1970 .г. // Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Т. 33. N 2. С.62-68.

^Да-^ —.