CC BY
35
Вариации широтно-долготных распределений термосферных параметров во время геомагнитных бурь 17-20 апреля 2002 года
1 12 Е.Н. Доронина , А.А. Намгаладзе '
1 Политехнический факультет МТТУ, кафедра физики
Полярный геофизический институт, г. Мурманск
Аннотация. Изучение широтно-долготных вариаций параметров термосферы Земли в зависимости от геомагнитных условий было проведено методом математического моделирования. Расчеты проводились с использованием теоретической модели атмосферы Земли UAM и эмпирической модели термосферы NRLMSISE-00. По результатам расчетов были построены карты глобального распределения термосферных параметров, таких как температура нейтрального газа, концентрации молекулярного кислорода и атомарного азота, отношение их концентраций, а также отношение отношений n(O)/n(N2) в возмущенных условиях к спокойным и скорость горизонтального термосферного ветра для моментов времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 года. Получено, что буревые эффекты сильнее в модели UAM, чем в модели MSIS: в возмущенных условиях в высоких широтах в среднем температура нейтрального газа на 150-250 K выше.
Abstract. Study of the latitude-longitudinal variations of the Earth's thermosphere parameters depending on geomagnetic conditions has been performed by the method of mathematical modeling. Calculations have been made with use of the theoretical model of the Earth upper atmosphere (UAM) and the empirical model of the thermosphere (NRLMSISE-00). The maps of global distribution of the calculated thermospheric parameters, such as temperature of neutral gas, concentration of molecular nitrogen and atomic oxygen, the ratio of their concentrations, and also the ratio of ratio n(O)/n(N2) in the disturbed conditions to the quiet ones and the velocity of the horizontal thermospheric wind for the moments 1200 and 2400 UT on April 16, 17 and 18 have been plotted. The results show that the geomagnetic storm effects are stronger in UAM, than in MSIS: in the disturbed conditions in average the neutral temperature is 150-200 K higher.
1. Введение
В работе методом математического моделирования проведено исследование широтно-долготных вариаций состава, температурного и ветрового режимов термосферы Земли во время геомагнитных бурь 17-20 апреля 2002 года. Исследование проводилось с помощью глобальной численной модели атмосферы UAM (Намгаладзе и др., 1988; 1990; 1998; Namgaladze et al., 1991; 1998) и эмпирической модели термосферы NRLMSISE-00 (Hedin et al, 1974; 1977a,b; Hedin, 1983; 1987; 1991; Picone et al., 2000). Для решения уравнений непрерывности и теплового баланса в теоретической модели UAM начальные условия для термосферных параметров были взяты из MSIS.
В качестве входных параметров для теоретической модели UAM задавались: по DMSP-данным значения разности потенциалов через полярную шапку (рис. 1), положение границ овала высыпаний и потоки и энергии высыпающихся частиц. По значению разности потенциалов через полярную шапку рассчитывались соответствующие ей амплитуды продольных токов зоны 1, а для плотности токов зоны 2 принимались значения 70 % от токов зоны 1 в том же долготном секторе.
В предыдущей работе было проведено исследование временных вариаций термосферных параметров в период с 15 по 20 апреля 2002 года над установками некогерентного рассеяния на высоте 350 км (Доронина и др., 2005), и было показано, что для удовлетворительного воспроизведения ионосферных параметров во время бури вариант расчета термосферы со MSIS менее пригоден, чем самосогласованный вариант модели UAM. Сравнение результатов расчетов с эмпирической моделью термосферы MSIS и с теоретической моделью UAM, продемонстрировало, что буревые эффекты в UAM более заметны, чем в MSIS. Расчет с теоретической моделью термосферы дает более высокую температуру нейтрального газа и меньшее отношение концентраций n(O)/n(N2) во время бури, чем с эмпирической. И если сравнивать экспериментальные данные по электронной концентрации с результатами модельных расчетов, что проделано в работах (Namgaladze et al., 2003; 2004a,b,c; Намгаладзе и др., 2003), то теоретическая модель UAM дает более близкие к эксперименту значения, чем MSIS. На основании этого был сделан вывод, что бури, произошедшие в период с 17 по 20 апреля 2002 г., лучше описывает теоретическая модель UAM, чем эмпирическая модель MSIS.
В настоящей работе продолжено изучение влияния геомагнитных бурь на термосферные параметры с использованием тех же вариантов расчетов, что и в предыдущей работе (Доронина и др., 2005). Но если ранее изучались изменения, происходящие во время бури с течением времени над
Potential drop across polar cap, kV
ur, hours
Рис. 1. Вариации разности потенциалов поперек полярной шапки в период с 15 по 20 апреля 2002 г., используемые в качестве входных параметров модели UAM
определенными точками земной поверхности, а именно, местами расположения установок некогерентного рассеяния, то в настоящей работе представлены глобальные распределения термосферных параметров, которые позволяют увидеть, какие изменения происходят в термосфере Земли в один и тот же момент времени на разных широтах и долготах.
2. Результаты расчетов
С целью изучения широтно-долготных вариаций термосферных параметров до и во время геомагнитной бури были построены глобальные распределения следующих параметров: температура нейтрального газа Tn (рис. 2), концентрация молекулярного азота n(N2) (рис. 3), концентрация атомарного кислорода n(O) (рис. 4), отношение n(O)/n(N2) (рис. 5), отношение отношений концентраций O к N2 (рис. 6), демонстрирующее, как и во сколько раз изменяется n(O)/n(N2) в возмущенные дни (17-18 апреля 2002 г.) по отношению к спокойным (16 апреля 2002 г.), и горизонтальная скорость термосферного ветра (рис.7). Распределения представлены в геомагнитных координатах для двух моментов времени 1200 UT и 2400 UT каждых суток периода с 16 по 18 апреля 2002 г. на высоте 350 км.
В течение этого периода в 1200 UT подсолнечная точка, обозначенная на картах кружком с точкой, находилась на долготе 75°, а в 2400 UT - на долготе 255°.
2.1. Температура нейтрального газа
На рис. 2 представлены широтно-долготные вариации температуры нейтрального газа в период с 16 по 18 апреля 2002 г. для двух моментов времени 1200 и 2400 UT. Левая колонка - результаты расчета со MSIS, правая - UAM.
Рассмотрим, как менялась температура нейтрального газа, и сравним между собой два варианта расчетов. Как видно из рис. 2, наибольшее различие в результатах расчетов наблюдается 16 апреля в 1200 UT. В этот момент времени в расчете со MSIS максимум температуры достигает значений ~1360-1400 К и находится в долготном интервале от 105° до 150° и в широтном от -20° до 40°. Этот максимум смещен от полуденного меридиана в ночную сторону примерно на 30-35°, что составляет примерно 2 часа. Градиент температуры максимален при переходе с ночной стороны на дневную.
В расчетах с теоретической моделью UAM в этот же момент времени максимальная температура совпадает по значению со MSIS, но находится в высокоширотной области в северном полушарии (60°-85°) в долготном интервале от 10° до 165°. Градиент температуры больше при переходе от низких широт к высоким, чем с дневной стороны на ночную. Минимум температуры в варианте расчета с теоретической моделью термосферы 16 апреля в 1200 UT глубже (~760 К), чем в расчете с эмпирической моделью MSIS (~960 К).
К 2400 UT 16 апреля в варианте расчета MSIS Tn начинает увеличиваться в средних и высоких широтах на дневной стороне, достигая значения ~1440 К. В этот же момент времени в варианте UAM температура также увеличивается в средних и высоких широтах, достигая более высокого значения ~1560 К.
На рис. 2 видно, что с 1200 UT 17 апреля 2002 г., когда буря уже началась и разность потенциалов достигла ~170 кВ (рис. 1), и дневная и ночная температуры увеличиваются по всему глобусу в обоих вариантах расчетов. Но в варианте UAM этот рост заметнее, чем в варианте MSIS. При этом если в варианте MSIS температура нейтралов увеличивается в высоких широтах как в северном, так и в южном полушарии (хотя в северном сильнее), достигая 17 апреля в 1200 UT значений ~1480 К, то в варианте UAM температура заметно возрастает (до ~1560 К) только в северном полушарии.
Принято считать, что температура нейтрального газа начинает увеличиваться через несколько часов (~6 часов) после начала бури. А из результатов расчетов и с теоретической моделью UAM, и с эмпирической моделью MSIS видно, что Tn увеличивается уже к 2400 UT 16 апреля, т.е. до начала основной бури и продолжает расти к 1200 UT 17 апреля. Очевидно, это связано с увеличением разности потенциалов поперек полярной шапки в интервале 1700-2400 UT 16 апреля (рис. 1).
К 2400 UT 18 апреля картины глобального распределения температуры нейтралов становятся близки друг к другу в обоих вариантах расчетов. Как видно из рис. 2, ив варианте UAM, и варианте MSIS в северном полушарии температура выше, чем в южном полушарии и достигает максимальных значений в высокоширотных областях. Это связано с тем, что подсолнечная точка в рассматриваемый промежуток времени находится в северном полушарии, т.е. имеет место сезонный эффект. Сходство также состоит в том, что широтные градиенты температур больше, чем долготные, похожи формы изолиний, минимальные температуры близки по значению (UAM ~1040 K, MSIS ~1000 K). При этом в варианте расчета UAM максимальная температура выше (~1760 К), чем в варианте MSIS (~1520 К).
Следует обратить внимание, что собственно буревой эффект, который заключается, в том числе, и в увеличении температуры нейтрального газа по всему глобусу на фиксированной высоте, в варианте расчета UAM сильнее, чем в варианте расчета MSIS. Так, в рассматриваемый период времени в варианте UAM по всем широтам Tn увеличилась в среднем на 400-500 K, а в варианте MSIS - на 200-250 K в высоких широтах, на 100-150 К в средних и почти не изменилась в низких широтах.
Neutral temperatura, К К = 350 km
_1Ш_Ш_
7j
MSISEÍÜÜÜ
илм(тм)
и
I:
Г --—
^М-
К i
г ■
i'j W liS 140 lli Л0 Si 1 Мб
is и di i* m ив пи ™
5-
\ \
J
-S ü-WSI 3 -Jr, .— 1 * 45
- У"
М"
L\
^__ _
И 131 130 ÍJÍ ЭТО 311 300
l'£Ш*у
нЧ
I
1» ЮО 321 2~0 31Ь 3K
ы
<S К 1» 1И III 111 in
tí И 1» 100 fJ3 JT0 311 Hi
<s к i и itt ni ire su jt-i
is » ш loo iii ate зи зя>
Magnetic longitude (deg.j Рис. 2. Широтно-долготное распределение температуры нейтрального газа на высоте 350 км в моменты времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г.
2.2. Нейтральный состав
Во время геомагнитной бури в газовом составе термосферы происходят значительные изменения, которые, в свою очередь, влияют на процессы, происходящие в ионосфере Земли. В работе (Доронина и др.,
2005) изучались временные вариации нейтрального состава в отдельных точках на высоте 350 км над поверхностью Земли, соответствующими местам расположения установок некогерентного рассеяния. Рассмотрим, какие изменения состава происходили в целом по глобусу до и вовремя бури.
2.2.1. Концентрация молекулярного азота
Широтно-долготные вариации молекулярного азота на высоте 350 км представлены на рис. 3. Они построены для моментов времени 1200 иТ и 2400 иТ 16, 17 и 18 апреля.
Как видно из сопоставления рис. 3 и 2, карты глобального распределения концентрации молекулярного азота в обоих вариантах расчетов - и с теоретической моделью термосферы ИАМ, и с моделью М8К - похожи на карты распределения температуры нейтрального газа. Это связано с тем, что молекулярный азот хорошо подчиняется барометрическому закону. В теоретической модели ИАМ сходство изолиний в распределениях концентрации N с температурой больше, чем в М8К, т.к. в теоретической модели ИАМ концентрация молекулярного азота рассчитывается строго по барометрической формуле.
Сравним между собой результаты двух вариантов расчетов - М8К и ИАМ. Разница состоит в том, что, как и в случае с нейтральной температурой, в варианте ИАМ области с низким содержанием молекулярного азота гораздо обширнее, чем в варианте расчетов М8К. С 16 по 17 апреля они распространяются на все южное полушарие, а в северном - на ночной стороне - вплоть до средних широт.
□{N5), 10" и* Н - 350 кт
п
Т У
S.J.
& Л
а а м ™ и« in MS ил II » 1Я in Hi im J1J Ж
i « к из ih :ii это in ис и *s » 1» 11* :» us ж
о 4s да lm 190 н! и м »с о «115. ik г» sis 3«
Magnetic lorigtude {(leg.)
Рис. 3. Широтно-долготное распределение концентрации молекулярного азота на высоте 350 км в моменты времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г.
16 апреля и в 1200 UT, и в 2400 UT содержание молекулярного азота меньше в варианте расчетов UAM, чем в варианте расчетов MSIS, что в целом соответствует более низкой температуре нейтралов в варианте UAM по сравнению с вариантом MSIS. Как и в случае с Tn, в варианте MSIS градиент концентрации больше при переходе с ночной стороны на дневную, а в варианте UAM больше широтный градиент, и направлен от низких широт к высоким. В обоих вариантах расчетов максимумы концентрации N2 смещены от подсолнечной точки в северное полушарие, но если в варианте MSIS концентрация достигает 16 апреля в 1200 UT значения ~1,4х1014 м-3, то в варианте UAM ~1,1х1014 м-3.
С началом бури к 1200 UT 17 апреля w(N2) заметно возросла в варианте MSIS, достигнув в высоких широтах северного полушария значения ~2х1014 м-3 во всем долготном интервале. В варианте UAM она возросла не так заметно. И хотя максимум совпадает по значению с вариантом MSIS, но он локализован в долготном интервале 50-95° в высоких широтах северного полушария (в широтном интервале 70-80°). Минимум концентрации, как и в предыдущие сутки в варианте UAM гораздо глубже, чем в варианте MSIS.
С ростом температуры нейтрального газа во время бури растет и концентрация N2, но в отличие от температуры, концентрация молекулярного азота в варианте UAM растет медленнее, чем в варианте MSIS. И только к 2400 UT 18 апреля карты глобальных распределений N2 в обоих вариантах расчетов становятся схожими. Причем в северном полушарии в варианте расчетов UAM концентрация азота даже несколько больше (~2,8х1014 м-3), чем в варианте расчетов MSIS (~2,4х1014 м-3), что имеет место и в глобальном распределении температуры нейтралов.
Как было сказано выше, молекулярный азот хорошо подчиняется барометрическому закону, поэтому характер изменений, произошедших в распределении концентрации N2 схож с изменениями в температуре нейтрального газа. Т.е. в период с 16 по 18 апреля 2002 г. w(N2) в высоких широтах в варианте UAM увеличилась на ~1,7х1014 м-3, а в варианте MSIS - на ~1х1014 м-3. Таким образом, увеличение концентрации N2, которое наблюдается во время геомагнитной бури, в варианте UAM сильнее, чем в варианте MSIS.
2.2.2. Концентрация атомарного кислорода
На рис. 4 представлены карты глобального распределения концентрации атомарного кислорода для моментов времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 года на высоте 350 км. В левой колонке представлены широтно-долготные вариации, построенные по результатам расчетов с эмпирической моделью термосферы MSIS, а в правой - с теоретической моделью термосферы UAM.
Если сопоставить рис. 4 с рис. 2 и 3, то видно, что распределение n(O) по форме изолиний и областям его повышенного содержания, отличается от распределений концентрации молекулярного азота и температуры нейтралов. Это связано с отклонением высотного распределения концентрации O от гидростатического в нижней термосфере, где нет диффузионного равновесия вследствие образования атомарного кислорода в реакциях фотодиссоциации O2 и O3 и исчезновения в реакциях столкновений с O, O2 и O3 (Брюнелли, Намгаладзе, 1988). Поэтому в теоретической модели UAM концентрация O рассчитывается путем решения уравнения непрерывности с учетом всех этих реакций, а также процессов переноса.
Рассмотрим, как изменялась концентрация атомарного кислорода в обоих вариантах расчетов (MSIS и UAM). Как видно из рис. 4, 16 апреля в 1200 UT и в 2400 UT области повышенного содержания атомарного кислорода в обоих вариантах расчетов расположены на дневной стороне в низких и средних широтах. В варианте MSIS концентрация O выше, чем в варианте UAM и достигает в максимуме значения ~7,6х1014 м-3, тогда как в UAM максимальное значение w(O)~4,6x1014 м-3. Если в рассматриваемые моменты времени в варианте MSIS область с большим содержанием атомарного кислорода находится вблизи подсолнечной точки, то в варианте UAM таких областей две, и они расположены по обе стороны от экватора. Причем в северном полушарии эта область смещена в средние широты, а в южном - в низкие. Минимум концентрации в варианте UAM глубже (~1,4х1014 м-3), чем в варианте MSIS (~3,6х1014 м-3).
С началом бури (1200 UT 17 апреля) в варианте MSIS концентрация атомарного кислорода возрастает как на дневной, так и на ночной стороне и достигает в максимуме значения ~8,4х1014 м-3. В варианте UAM увеличения концентрации нет, в максимуме значение - как и в предыдущие сутки, а вот размер области с пониженным содержанием O увеличивается, и минимум принимает значение ~1,2х1014 м-3.
К 2400 UT 17 апреля в варианте MSIS n(O) продолжает увеличиваться в низких и средних широтах, достигая в максимуме значения ~9,6х1014 м-3, а на ночной стороне в высоких и средних широтах уменьшается, минимальное значение ~2,4х1014 м-3. В варианте UAM в этот же момент времени картина широтно-долготного распределения меняется кардинально. Область повышенного содержания атомарного кислорода смещается на дневной стороне в область низких широт южного полушария (-20-30°) в долготном интервале 270-315° (что соответствует промежутку времени 1300-1600 MLT) и в максимуме n(O) принимает значение ~6х1014 м-3. Область пониженного содержания O смещается в северное полушарие, где в ночные часы она доходит до низких широт, и минимальное значение уменьшается до величины ~0,8х1014 м-3.
Как видно из рис. 4, в варианте иАМ 18 апреля в 1200 иТ концентрация О продолжает расти по всему глобусу, в тот время как в варианте М818 заметных изменений в п(О) нет. Область с повышенным содержанием атомарного кислорода находится на дневной стороне в южном полушарии, где достигает значения ~7,2х1014 м-3, а область с пониженным содержанием О находится в северном полушарии на ночной стороне (в минимуме значение ~1,2х1014 м-3).
К 2400 ИТ 18 апреля в варианте ИАМ п(О) продолжает увеличиваться, достигая к этому моменту времени в максимуме наибольшего значения ~8х1014 м-3, а в варианте М818 концентрация О становится ниже, чем в предыдущие сутки, и в максимуме ее значение ~9,2х1014 м-3.
Как видно из карт, представленных на рис. 4, в целом за период с 16 по 18 апреля п(О) выше в варианте расчета М818, чем в варианте расчета ИАМ. И хотя в рассматриваемый период наблюдается изменение концентрации атомарного кислорода в обоих вариантах, в варианте расчета ИАМ оно заметнее. В варианте расчета М818 широтные градиенты концентрации О больше, чем долготные, а в варианте ИАМ 16 апреля в 1200 ИТ и 2400 ИТ и 17 апреля в 1200 ИТ больше долготный градиент п(О), а 17 апреля в 2400 ИТ и 18 апреля в 1200 и 2400 ИТ - широтный. Причем в варианте ИАМ концентрация атомарного кислорода больше в южном полушарии, а в варианте М818 области практически симметричны относительно экватора, что позволяет сделать вывод о том, что сезонный эффект лучше проявляется в варианте ИАМ, и этот сезонный эффект противоположен тому, что происходит с температурой нейтрального газа и концентрацией молекулярного азота, которые увеличиваются в северном полушарии.
п(О), 10" т » Н - 350 кт
1.2
2.9
' г
4.Ё
6.3
6.0
MStSEJOM
и - - — - - ■
| и
CAM{TW)
e-i
л Я М 113 1» !Ч )l! ill I №
г 4 О V Т1 w
-aKj Ш
■1 j.1
( Ji И 1М 1« Hi ID in ill 4 45 И 13» № И m 31! W
О 4S 40 139 1« II1 IK 4 « » I» IH "i »0 511 14«
s к н и 1« ;n 1» id ж 4 « и и» i» Hi ire 31} зм
Magnetic longitude (deg,|
Рис. 4. Широтно-долготное распределение концентрации атомарного кислорода на высоте 350 км в моменты времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г.
2.2.3. Отношение концентраций п(0)/п(№г)
Известно, что во всех ионосферных слоях заряженные частицы являются малой примесью к нейтральной атмосфере, поэтому состав и динамика нейтральной атмосферы решающим образом влияют на поведение заряженных частиц. Нейтральный газ поглощает солнечное ионизирующее излучение, определяя его интенсивность на нижележащих уровнях. Нейтральная атмосфера является поставщиком ионизируемых частиц и регулятором рекомбинации заряженных частиц через промежуточный этап ионно-молекулярных реакций (Брюнелли, Намгаладзе, 1988).
Если же говорить об области Б2 ионосферы - области главного максимума в высотном распределении электронной концентрации, то ионизируемой компонентой в ней является атомарный кислород, а преобладающим ионом - 0+, т.е. концентрация электронов приблизительно равна концентрации ионов 0+, которая в фотохимическом приближении пропорциональна отношению концентраций О к
На рис. 5 представлены карты глобального распределения отношения концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота, построенные для моментов времени 1200 и 2400 иТ 16, 17 и 18 апреля на высоте 350 км. Колонка слева - вариант расчета с эмпирической моделью термосферы МЕШ, колонка справа - вариант расчета с теоретической моделью атмосферы Земли ИАМ.
Для лучшей наглядности у шкалы верхний предел ограничен значением 20.
Как видно из рис. 5, 16 апреля в 2400 ИТ в северном полушарии во всем долготном интервале на широтах от 30° до 90° оба варианта расчетов: и с теоретической моделью ИАМ, и с эмпирической
п(О) / n£N,) Н ~ 350 km
_10_
15
20
Ч515Е2М»
UAM(TM)
I II in 1IS MI ¡11 HI !1i !« i 15 » 135 1« 325 2ГВ 115 II!
U 41 Ш 13 1H И4 tpo 91} no <1 11 9C 1111 1«! al Jfo JI5 пси
» 41 » I» IH lil ЭТО Hi 0 <1 и 19! 1)4 Hi :rc 115 95:
Magnetic longitude jdegj Рис. 5. Широтно-долготное распределение отношения концентраций w(O)/w(N2) на высоте 350 км в моменты времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г.
моделью термосферы М818 дают примерно одинаковые значения отношения концентраций п(0)/п(М2) —2,5^5. А в низких широтах северного полушария и по всем широтам южного во всем долготном интервале в варианте ИАМ отношение концентраций О к N больше, чем в варианте М818 и в максимуме достигает значения —36, тогда как в М818 максимум п(0)/п(М2) —16.
К моменту начала бури (1200 ИТ 17 апреля) отношение концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота уменьшается в обоих вариантах расчетов. Это связано с увеличением разности потенциалов поперек полярной шапки еще 16 апреля (рис.1), повлекшим за собой увеличение температуры нейтрального газа, что в свою очередь привело к уменьшению п(0)/п(ЪТ2).
Но если в варианте М818 отношение 0 к N падает по всем широтам, и его минимальное значение —1, а максимальное —15, то в варианте ИАМ в высоких широтах п(0)/п(ЪТ2) уменьшается и в минимуме принимает значение меньше 1, а в средних и низких широтах южного полушария растет и в максимуме достигает —44.
В последующие моменты времени (17 апреля в 2400 ИТ и 18 апреля в 1200 и 2400 ИТ), т.е. уже в ходе бури в обоих вариантах расчетов: и с теоретической моделью ИАМ, и с эмпирической моделью термосферы М818 отношение концентраций 0 к N уменьшается в целом по глобусу. Но если в высоких широтах как северного, так и южного полушарий отношение концентраций в обоих вариантах расчетов примерно одинаково, то в южном полушарии в варианте ИАМ отношение п(0)/п(ЪТ2) больше, чем в варианте М818.
И только к 2400 ИТ 18 апреля, как видно из рис. 5, карты глобальных распределений отношения концентраций 0 к N в обоих вариантах расчетов становятся близки друг к другу. Максимальное и минимальное значение отношения п(0)/п(ЪТ2) в обоих вариантах расчетов совпадают, принимая значения —15 и —1, соответственно. Отличие вариантов расчетов состоит в том, что в варианте ИАМ область с низким значением отношения опускается на дневной стороне до 30° северной широты, а в варианте М818 - примерно до 50°. Область с высоким значением отношения концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота в обоих вариантах расчетов находится в южном полушарии, но в варианте расчета М818 меньше по площади и находится в узком долготном интервале 135°-180°, что соответствует промежутку 400-1000 МЬТ.
Во время геомагнитной бури в обоих вариантах расчетов отношение концентраций п(0)/п(М2) уменьшается по всему глобусу. Причем в варианте ИАМ отношение концентраций уменьшилось в период с 16 по 18 апреля 2002 г. в высоких широтах на 3+4, в средних и низких - на 7-^8. В варианте М818 по всем широтам п(0)/п(М2) уменьшилось на 1,5^2,5. Это говорит о том, что буревые эффекты в варианте расчета с теоретической моделью термосферы ИАМ сильнее, чем в варианте расчета с М818.
Таким образом, отношение концентраций п(0)/п(М2) в варианте расчета ИАМ в высоких и средних широтах северного полушария меньше, чем в варианте расчета М818, что отражается в соотношении значений электронной концентрации в этих же вариантах расчетов (Namgaladze а1., 2003; 2004а,Ь,с; Намгаладзе и др., 2003).
2.2.4. Отношение отношений концентраций п(0)/п(К2)
На рис. 6 представлены карты глобального распределения широтно-долготных вариаций отношения отношений концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота в возмущенные дни к спокойному на высоте 350 км, т.е. вблизи максимума Б2 слоя:
Я = [«(0)/«(М2)]возм/ [«(0)/«(М2)]спок.
В качестве спокойных условий выбраны моменты времени 1200 и 2400 ИТ 16 апреля 2002 г. Хотя 2400 ИТ 16 апреля нельзя отнести к полностью спокойным условиям, т.к. в этот момент времени наблюдалось увеличение разности потенциалов поперек полярной шапки (рис. 1), был выбран этот момент, чтобы избежать влияния ИТ-эффекта. В левой колонке представлены результаты, полученные на основании расчетов с эмпирической моделью термосферы М818, в правой - с теоретической моделью атмосферы Земли ИАМ.
Как было сказано выше, в фотохимическом приближении электронная концентрация пропорциональна отношению концентраций п(0)/п(М2). Отношение Я, которое показывает во сколько раз п(0)/п(М2) в возмущенных условиях отличается от п(0)/п(М2) в спокойных условиях, позволяет оценить, как изменяется в ходе бури соотношение между скоростями образования и потерь ионов 0+.
Как видно из карт, представленных на рис. 6, отношение Я с развитием бури уменьшается и в варианте расчетов ИАМ, и в варианте М818. Но если в варианте М818 отношение Я уменьшается в высоких и средних широтах, а в низких практически не изменяется, то в ИАМ Я уменьшается по всему глобусу. При этом в М818 отношение Я меньше в высоких широтах южного полушария, а в ИАМ - в средних широтах северного.
В 2400 ИТ 18 апреля в варианте М818 в высоких широтах обоих полушарий Я увеличивается по сравнению с предыдущим моментом времени (1200 ИТ 18 апреля), а в варианте ИАМ отношение Я продолжает уменьшаться.
Варианты расчетов М818 и ИАМ отличаются друг от друга по характеру изолиний: если в варианте М818 они плавные, то в ИАМ нет, что связано с осреднением данных во М818.
mm/ncN,)],, Н - 350 fcm
Magnetic longitude idea J Рис. 6. Широтио-долготиое распределение отношения отношений концентраций n(O)/n(N2) в возмущенные дни к спокойному на высоте 350 км в моменты времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г.
2.3. Горизонтальный термосферный ветер
Направление и сила термосферного ветра зависят от геомагнитных условий. В спокойных условиях, когда решающую роль в характере термосферных ветров играет солнечный разогрев, нейтральный газ растекается из дневного полушария в ночное от области повышенного давления. Днем ветер дует преимущественно к полюсам, а ночью - к экватору.
С усилением геомагнитной активности характер глобального распределения термосферных ветров меняется вследствие высыпаний энергичных частиц и усилений токов в высоких широтах. Появляются два дополнительных источника движений нейтрального газа: тепловой, обусловленный высокоширотным разогревом термосферы за счет джоулева тепла авроральных токов и диссипации энергии высыпающихся из магнитосферы частиц, и пондермоторный, связанный с передачей импульса от быстро движущихся заряженных частиц к нейтральным. Увеличение температуры нейтрального газа, связанное с высокоширотным разогревом, приводит к изменению градиента давления, движущего нейтральный газ.
Характер изменений силы и направления термосферного ветра в зависимости от геомагнитной активности показан на рис. 7, где представлены карты глобального распределения горизонтальной составляющей скорости термосферного ветра на высоте 350 км для моментов времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г. Расчеты проводились в двух вариантах: градиент давления рассчитывался по эмпирической модели термосферы MSIS (левая колонка) и полностью самосогласованно в теоретической модели атмосферы Земли UAM (правая колонка). Как видно из рис. 7 в 1200 UT 16 апреля карты глобального распределения термосферного ветра в обоих вариантах расчетов близки друг к другу, хотя в варианте UAM скорость немного выше (максимальная ~400 м/с), чем в варианте MSIS (максимальное значение ~340 м/с). Но уже в 2400 UT этих же суток в варианте UAM скорость увеличивается, достигая на ночной стороне в высоких широтах северного полушария значения ~560 м/с. Очевидно, это связано с увеличением разности потенциалов поперек полярной шапки (рис. 1). В варианте MSIS скорость ветра также увеличивается, но незначительно (максимальное значение ~380 м/с).
С началом бури в 1200 UT 17 апреля скорость ветра увеличивается в обоих вариантах расчетов, и хотя, как видно на картах глобального распределения (рис. 7) в целом в варианте UAM скорость выше, чем
в варианте MSIS, но максимальное значение скорости в варианте MSIS немного больше (~880 м/с), чем в варианте UAM, где максимальная скорость ~800 м/с. В этот момент времени в высоких широтах хорошо заметны вихри, возникающие вследствие ионного трения, которое увлекает нейтральный газ вслед за электромагнитным дрейфом ионов (ионосферно-магнитосферной конвекцией). Поэтому в высоких широтах скорость движения нейтрального газа больше, чем в низких, где ионное трение играет роль тормозящей силы для нейтральных ветров, генерируемых градиентами давления от солнечного разогрева.
В 2400 UT 17 апреля скорость термосферного ветра уменьшается по всему глобусу в обоих вариантах расчетов. Максимальное значение в варианте MSIS ~440 м/с, а в варианте UAM ~520 м/с. При этом изменяется и картина ветров по сравнению с 1200 UT, что связано с разным направлением градиентов давлений от солнечного и высокоширотного источников разогрева. Также следует обратить внимание на то, что в варианте UAM в северном полушарии скорость на ночной стороне выше, чем в южном, а в варианте MSIS эта разница не так заметна.
В 1200 UT 18 апреля скорость ветра возрастает в обоих вариантах расчетов, достигая в варианте MSIS в высоких широтах значения ~840 м/с, тогда как в варианте UAM ~760 м/с. А в 2400 UT этих же суток скорость уменьшается, достигая в максимуме в варианте MSIS значения ~480 м/с, а в варианте UAM ~560 м/с.
Таким образом, можно сделать вывод, что в варианте UAM скорость горизонтального термосферного ветра в целом выше, чем в MSIS, хотя в 1200 UT 17 и 18 апреля максимальное значение скорости больше в варианте MSIS. В обоих вариантах расчетов прослеживается UT-эффект, т.е. зависимость скорости ветра от мирового времени. Это связано с тем, что в магнитно-возмущенных условиях помимо солнечного источника разогрева появляется высокоширотный, который привязан к геомагнитному полюсу. Поэтому положение максимума джоулева разогрева относительно подсолнечной точки меняется в зависимости от ЦТ.
The г mosp Hie г ic wind velocity,, m/s H = 350 km О HD <1*1(1 МЛ вид
MS1SEÍOOO
UÍM(TM)
íítjí :
í 4S » 191 1K Ц9 Hl 919 J« t~ IH 'H Kl IT« )19 9K
kimuw-^jlJJWM
I 41 И IH IH HS Dt |lí 9r
Ё iи i! г' ' ' .....—
» »I '■■ - 'f -'' 4 :: tf" r!44 i hít-!"!"!"*:
с 44 n 1» IH ~úf ¡íl) 919 Me • A W 1
111 IH Ы1 ííí ±19
да *H A i r| i I ■ г г ■ i.' I
3 cä »
I • H in 1H 139 1Г( 919 I • * II Ц HS ITS íli №
^ Ч ! \ТЦГ{1
s
■ ; " ■ ■ ■ '- j *i
^шМШМЦиМ
0 A-1 в 131 i» HS ZPO 31® UK ft ля И «Я sw HS 3TG 545 WS
1 И И Dt 1» ÍJ9 П 111 Mí О 49 И |Н IH t» ft 111 JH
(4 s® *
И АЛ № IB ID ni iH 11; ЗК I] и IH !П ГЛ 7ГП 919
Mag пенс longitude |deg.)
Рис. 7. Широтно-долготное распределение скорости горизонтального термосферного ветра на высоте 350 км в моменты времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля 2002 г.
Доронина E.H., Намгаладзе A.A. Вариации широтно-долготных распределений... 3. Заключение
В настоящей работе методом математического моделирования было проведено исследование процессов в термосфере Земли во время апрельских геомагнитных бурь 2002 г. Проанализированы карты глобального распределения термосферных параметров на высоте 350 км для моментов времени 1200 и 2400 UT 16, 17 и 18 апреля, построенные по результатам расчетов с теоретической моделью атмосферы Земли UAM и эмпирической модели термосферы MSIS.
Расчет показал, что во время геомагнитных бурь происходит увеличение температуры нейтрального газа по всем широтам, но наибольших значений она достигает в высоких широтах. При этом в варианте UAM температура выше, чем в варианте MSIS. В обоих вариантах расчетов температура нейтрального газа выше в северном полушарии, чем в южном. Это связано с тем, что подсолнечная точка в рассматриваемый промежуток времени находится в северном полушарии.
С ростом температуры происходят изменения в газовом составе термосферы Земли. Молекулярный азот поднимается с нижних слоев, и его содержание на высоте 350 км увеличивается. Связано это с тем, что N2 хорошо подчиняется барометрическому закону, что подтверждается сходством карт глобального распределения концентрации молекулярного азота с картами распределения температуры нейтрального газа на этой же высоте. В начале расчетов концентрация молекулярного азота выше в варианте MSIS, чем в варианте UAM, но к 2400 UT 18 апреля ее значения выравниваются и становятся примерно одинаковыми в обоих вариантах расчетов.
Распределение более легкого по сравнению с молекулярным азотом атомарного кислорода во время бури также изменяется. Его концентрация во время бури уменьшается в высоких и увеличивается в низких широтах. Карты глобального распределения концентрации атомарного кислорода отличаются от карт распределения температуры нейтрального газа и молекулярного азота для той же высоты, т.к. значительную роль в картине глобального распределения атомарного кислорода играют явления переноса и реакции фото диссоциации. В варианте расчета UAM концентрация O выше в южном полушарии, а в варианте MSIS оба полушария практически симметричны относительно экватора, таким образом, сезонный эффект лучше заметен в варианте UAM. В целом концентрация атомарного кислорода больше в варианте MSIS, чем в варианте UAM.
В F2-raoe концентрация электронов примерно равна концентрации ионов O+, а в фотохимическом приближении n(O)~n(O)/n(N2). Поэтому изменения, происходящие во время бури с отношением концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота, имеют большое значение для вариаций концентрации электронов. Результаты расчетов с теоретической моделью атмосферы Земли UAM и с эмпирической моделью термосферы MSIS показали, что в спокойных условиях отношение n(O)/n(N2) в высоких и средних широтах северного полушария и в варианте UAM, и в варианте MSIS примерно одинаковы, а в низких широтах северного и во всем южном полушарии оно выше в варианте UAM, чем в варианте MSIS. С усилением геомагнитной активности отношение концентраций начинает уменьшаться в обоих вариантах расчетов, но в варианте UAM в высоких и средних широтах северного полушария n(O)/n(N2) достигает более низких значений, чем в варианте MSIS, что хорошо согласуется с экспериментальными данными по электронной концентрации и с ее значениями в этих же вариантах расчетов (Namgaladze et al., 2003; 2004a,b,c; Намгаладзе и др., 2003).
Что касается ветров, то их скорость также изменяется в зависимости от геомагнитных условий. В спокойных условиях на дневной стороне скорость ветра направлена преимущественно к полюсам, а на ночной к экватору, т.к. область повышенного давления "привязана" к подсолнечной точке. В магнитно-возмущенных условиях характер глобального распределения термосферных ветров меняется, т.к. появляются дополнительные источники движения нейтрального газа в высоких широтах: градиент давления, обусловленный разогревом авроральными токами и высыпающимися из магнитосферы энергичными частицами, и пондермоторный, связанный с передачей импульса от дрейфующих ионов нейтральному газу. Сравнение результатов расчетов по теоретической модели атмосферы UAM и эмпирической модели термосферы MSIS позволяет сделать вывод, что скорость горизонтального термосферного ветра и в спокойных и в возмущенных условиях в целом выше в варианте UAM, чем в варианте MSIS, при одинаковом общем характере циркуляции.
На основании всего выше изложенного можно сделать вывод, что все буревые эффекты в целом сильнее в варианте расчета с теоретической моделью атмосферы Земли UAM, чем в варианте расчета с эмпирической моделью термосферы MSIS. А поскольку результаты расчетов с теоретической моделью UAM лучше согласуются с экспериментальными данными по электронной концентрации, полученными с помощью установок некогерентного рассеяния на различных широтах и долготах (Namgaladze et al., 2003; 2004a,b,c; Намгаладзе и др., 2003), то можно полагать, что в случае событий 17-20 апреля 2002 г. описание термосферы в теоретической модели UAM ближе к реальности, чем в эмпирической модели термосферы MSIS.
Работа поддержана грантом РФФИ № 05-05-97511.
Литература
Hedin A.E. A revised thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data: MSIS-83. J. Geophys. Res, v.88, N A12, p.10170-10188, 1983.
Hedin A.E. Extension of the MSIS thermosphere model into the middle and lower atmosphere. J. Geophys. Res, v.96, N A2, p.1159-1172, 1991.
Hedin A.E. MSIS-86 thermospheric model. J. Geophys. Res, v.92, N A5, p.4649-4662, 1987.
Hedin A.E., Mayr H.G., Reber C.A., Spenser N.W., Carignan G.R. Empirical model of global thermospheric temperature and composition based on data from the Ogo 6 quadrupole mass spectrometer. J. Geophys. Res, N 79, p.215-225, 1974.
Hedin A.E., Reber G.A., Newton G.P., Spencer N.W., Brinton H.C., Mayr H.G., Potter W.E. A global thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data. MSIS 2. Composition. J. Geophys. Res, v.82, N 16, p.2148-2156, 1977b.
Hedin A.E., Salah J.E., Evans J.V., Reber C.A., Newton G.P., Spencer N.W., Kayser D.C., Alcayde D., Bauer P., Cogger L., McClure J.P. A global thermospheric model based on mass spectrometer and incoherent scatter data. MSIS 1. Density and temperature. J. Geophys. Res., v.82, N 16, p.2139-2147, 1977a.
Namgaladze A.A., Fadeeva Yu.V., Namgaladze A.N., Martynenko O.V., Doronina E.N., Goncharenko L.P., Salah J.E., A. Van Eyken, Howells V., Thayer J.P., Taran V.I., Shpynev B., Zhou Q. A comparison of the Upper Atmosphere Model results with the Incoherent Scatter Radar and NRLMSISE-00 data for the April 2002 magnetic storm events. 5th International Conference "Problems of Geocosmos", Book of Abstracts, St.Petersburg State University, p.131-132, 2004b.
Namgaladze A.A., Fadeeva Yu.V., Namgaladze A.N., Martynenko O.V., Doronina E.N., Goncharenko L.P., Salah J.E., A. Van Eyken, Howells V., Thayer J.P., Taran V.I., Shpynev B., Zhou Q. Modelling of the ionosphere/thermosphere behaviour during the April 2002 magnetic storms: A comparison of the UAM results with the NRLMSISE-00 and ISR data. 35th COSPAR Scientific Assembly 2004, Abstracts, C1.2-0020-04, 2004c.
Namgaladze A.A., Goncharenko L.P., Fadeeva Yu.V., Namgaladze A.N. April 2002 magnetic storms: A comparison of the incoherent scatter radars data and the upper atmosphere model results. Physics of Auroral Phenomena, XXVII Annual Apatity Seminar, Abstracts, Preprint PGI-04-05-74015, p.15-16, 2004a.
Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Surotkin V.A., Naumova N.M. Numerical modelling of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, v.53, N 11/12, p.1113-1124, 1991.
Namgaladze A.A., Martynenko O.V., Namgaladze A.N. Global model of the upper atmosphere with variable latitudinal integration step. Geomagnetism andAeronomy International, v.1, N 1, p.53-58, 1998.
Namgaladze A.A., Namgaladze A.N., Martynenko O.V., Doronina E.N., Knyazeva M.A., Zubova Yu.V. Numerical modeling of the thermosphere, ionosphere and plasmasphere behaviour during the April 2002 magnetic storms. Physics of Auroral Phenomena, Proceedings of the XXVI Annual Apatity Seminar, Preprint PGI, p.74-78, 2003.
Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res, v.107 (A12), doi: 10.1029/2002JA009430, 2002.
Брюнелли Б.Е., Намгаладзе A.A. Физика ионосферы. М, Наука, 528 c., 1988.
Доронина Е.Н., Намгаладзе А.А., Гончаренко Л.П. Вариации термосферных параметров над станциями некогерентного рассеяния во время геомагнитных бурь 17-19 апреля 2002 года. Вестник МГТУ, т.8, № 1, с.132-143, 2005.
Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В., Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Суроткин В.А., Глущенко Т.А., Наумова Н.М. Математическая модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли как единой системы. М, НИИЯФ МГУ, Математические модели ближнего космоса, Тез. докл., 3 е., 1988.
Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В., Карпов И.В., Бессараб Ф.С., Суроткин В.А., Глущенко Т.А., Наумова Н.М. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли. Геомагнетизм и аэрономия, т.30, № 4, c.612-619, 1990.
Намгаладзе А.А., Мартыненко О.В., Волков М.А., Намгаладзе А.Н., Юрик Р.Ю. Математическое моделирование крупномасштабных возмущений верхней атмосферы Земли. Моделирование процессов в верхней полярной атмосфере, ПГИКНЦРАН, Апатиты, с.167-249, 1998.
Намгаладзе А.А., Мартыненко О.В., Зубова Ю.В., Доронина Е.Н., Князева М.А., Намгаладзе А.Н. Математическое моделирование эффектов геомагнитных бурь 17-20 апреля 2002 года в верхней атмосфере Земли. Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Наука и образование-2003", часть V, МГТУ, Мурманск, с.74, 2003.
