ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2015, том 34, № 10, с. 12-17
^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
УДК 550.388.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ТОКОВ НА ИОНОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ: МОДИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ВЕРХНЕЙ
АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ © 2015 г. М. А. Князева*, А. А. Намгаладзе, К. Е. Белоушко
Мурманский государственный технический университет, Мурманск *E-mail: mariknyazeva@yandex.ru Поступила в редакцию 11.12.2014
Для исследования влияния межпланетного магнитного поля (ММП) на ионосферные электрические поля была произведена модификация блока расчета электрического поля в глобальной трехмерной нестационарной модели верхней атмосферы Земли (UAM). Реализован способ задания пространственно-временных распределений продольных токов (FAC), текущих между ионосферой и магнитосферой Земли, по данным эмпирической модели Лукьяновой, основанной на статистических картах распределения FAC по магнитным данным спутников 0rsted, CHAMP и Magsat и учитывающей зависимость FAC от ММП. Для верификации модифицированной версии UAM проведены модельные расчеты глобального распределения электрического поля для двух случаев ориентации вектора ММП: By = Bz = 0 и By = 0, Bz = —5 нТл. Анализ рассчитанных широтно-долготных распределений в геомагнитных координатах плотности продольных токов и потенциала электрического поля на высоте 175 км показал, что модифицированная версия UAM позволяет учитывать зависимость ионосферных электрических полей от ММП, влияние токов зоны 3 и сезонную вариацию продольных токов.
Ключевые слова: ионосферные электрические поля, продольные токи зон 1, 2 и 3, ионосферная конвекция, численное моделирование.
DOI: 10.7868/S0207401X15100076
1. ВВЕДЕНИЕ
Значительное влияние на поведение ионосферной плазмы оказывают электрические поля динамо- и магнитосферного происхождений. В теоретических исследованиях поведения ионосферы и магнитосферы методом математического моделирования учет этого влияния осуществляется двумя способами: 1) пространственно-временное распределение напряженности или потенциала электрического поля задается по эмпирическим данным спутников и/или станций наземных наблюдений; 2) решается уравнение непрерывности для плотности тока в квазистационарном приближении.
В большинстве глобальных физико-математических моделей используется первый способ: в модели USU TDIM (Utah State University Time-Dependent Model of the Global Ionosphere) [1, 2] и ее модификации IFM (Ionosphere Forecast Model) [3], в модели GTIM (Air Force Research Laboratory Global Theoretical Ionospheric Model) [4, 5], в модели CTIM (Coupled Thermosphere-Ionosphere Model) [6, 7] и ее модификации CTIP (Coupled Thermosphere-Ionosphere-Plasmasphere Model) [8], в модели TIFM (Thermosphere-Ionosphere Forecast Model) [9]. Такой
подход не позволяет исследовать обратное влияние — зависимость электрических полей от состояния ионосферы.
Второй способ реализуется в таких глобальных теоретических моделях, как NCAR TIE-GCM (National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model) [10], ГСМ ТИП (Глобальная самосогласованная модель термосферы—ионосферы—протоно-сферы) [11] и ее версия UAM (Upper Atmosphere Model) [12], SWMF (Space Weather Modeling Framework) [13]. В них решается уравнение для потенциала электрического поля следующего вида:
V{ à (УФ — [VB]) — jm} = 0, (1)
где Ô — тензор ионосферной проводимости, V — вектор скорости среднемассового движения нейтрального газа, B — вектор геомагнитной индукции, jm — вектор плотности магнитосферного тока. Модели TIE-GCM, ГСМ ТИП и UAM описывают термосферу, ионосферу, плазмосферу и внешнюю магнитосферу как единую самосогласованную систему. Достигается это путем совместного решения уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных компо-
нент. Пространственно-временные распределения ионосферной проводимости и скорости движения нейтрального газа рассчитываются из соответствующих уравнений. Распределение плотности маг-нитосферного тока должно быть задано, причем с учетом его зависимости от межпланетного магнитного поля (ММП).
В модели SWMF это решается путем объединения моделей, описывающих верхнюю атмосферу Земли, с моделями солнечной короны, гелиосферы и внешней магнитосферы, что при расчете jm позволяет учитывать влияние ММП. В модели TIE-GCM магнитосферные токи вычисляются из данных эмпирической модели электрического потенциала Хилиса [14], учитывающей только ^у-компоненту ММП.
В UAM используется модель Веймера [15], которая дает зависимость разности потенциалов поперек полярной шапки от ^-индекса геомагнитной активности, но не описывает зависимость ионосферного электрического поля от ММП. Для учета в UAM последней зависимости можно задавать продольные токи по эмпирическим моделям, как было сделано в работе Прохорова с со-авт. [16], использовавших модель MFACE.
В данной работе описаны способ задания в глобальной трехмерной нестационарной численной модели верхней атмосферы Земли (UAM) плотности магнитосферного тока по данным эмпирической модели Лукьяновой [17] и результаты его верификации.
2. МОДИФИКАЦИЯ UAM: ЗАДАНИЕ МАГНИТОСФЕРНЫХ ТОКОВ ПО МОДЕЛИ ЛУКЬЯНОВОЙ
В UAM уравнение (1) решается в блоке расчета электрического поля, в котором используется сферическая геомагнитная система координат. После интегрирования уравнения (1) по высоте токового слоя (предполагается, что токовый слой расположен на высоте от 80 до 175 км) в пренебрежении высотной зависимостью компонент вектора электрического поля в этом слое задача расчета электрического потенциала сводится к двумерной и решается итерационным методом Либмана с ускоряющим множителем. Ниже 80 км предполагается, что отсутствуют носители заряда, а выше 175 км — что плазма замагничена, т.е. геомагнитные силовые линии эквипотенциальны.
Ионосферные проводимости, входящие в тензор проводимости d, рассчитываются по стандартным формулам, приведенным в [18], с использованием значений ионосферных и термосферных параметров, рассчитанных в блоке нейтральной атмосферы и нижней ионосферы и блоке F2-обла-сти ионосферы и плазмосферы. Полностью самосогласованная версия UAM соответствует вариан-
ту, когда термосферные температура, состав и трехмерная циркуляция рассчитываются путем численного интегрирования уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтрального газа. Также в UAM реализована возможность использования эмпирических моделей термосферы NRLMSISE-00 [19] и/или термосферных ветров HWM-93 [20] для вычисления части параметров нейтральной атмосферы.
Магнитосферными токами являются продольные токи зон 1 и 2 (FAC 1 и FAC 2 соответственно), протекающие между ионосферой и магнитосферой. В стандартной версии модели полагалось, что на высоте 175 км положения областей втекания в ионосферу и вытекания из нее продольных токов по геомагнитной широте совпадают с положением границ аврорального овала на утренней и вечерней сторонах (06:00 и 18:00 MLT соответственно). Положение овала задавалось в зависимости от значений Kp-индекса [21] или по спутниковым данным (например, со спутников DMSP) [22]. Амплитудные значения плотности продольных токов зоны 1 (FAC1max) подбирались итерационно до тех пор, пока разность потенциалов поперек полярной шапки (Лф) не достигала величины, рассчитанной по методу Веймера [15]. Амплитудные значения плотности продольных токов зоны 2 полагались равными 0.7 FAC1max (или 0.5 FAC1max).
Такой подход к заданию широтно-долготного распределения FAC 1 и 2 не учитывает зависимость ионосферного электрического поля от ММП, которая определяет структуру и динамику ионосферной конвекции. По этой причине был разработан способ задания входных параметров к блоку расчета электрического поля в UAM, при котором ши-ротно-долготное распределение плотности продольных токов задавалось по данным эмпирической модели Лукьяновой [17]. Эта модель построена на основе статистических карт продольных токов, полученных по данным магнитометра спутников 0rsted, CHAMP и Magsat, и учитывает зависимость FAC от ММП.
3. ВЕРИФИКАЦИЯ: РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ
Для верификации нового способа задания продольных токов были выбраны два случая ориентации ММП: Ву = В = 0 и Ву = 0, В = -5 нТл. Модельные расчеты проводились для спокойных условий декабрьского солнцестояния. Глобальное распределение электрического потенциала рассчитывалось с использованием полностью самосогласованной версии иАМ с использованием стандартного способа задания распределения продольных токов и модифицированного.
На рис. 1 и 2 (левые столбцы) представлены карты, построенные в полярных геомагнитных
14
КНЯЗЕВА и др.
j'|, мкА/м2 12
Ф, кВ
0.4
0.2
181
-0.2 -0.4
0.10 0.05
0
0.05 0.10
0.50 0.25
6 18|/::
18 18
,'3 21
0
12 б
9 15
6 18
0 12
18
0.25
0.50
I
6 18
0
6
16
-8
I
16
Рис. 1. Карты распределений / (правый столбец), построенные в полярных геомагнитных координатах для диапазона широт 50°-90° К, рассчитанные стандартным способом иАМ (а) и полученные по модели Лукьяновой для Вг = 0 (б) и Вг = —5 нТл (в). Соответствующие им карты распределений ф в полярных геомагнитных координатах для того же диапазона широт (левый столбец), рассчитанные по ИАМ. Геомагнитная долгота выражена в часах МЕГ: положение солнца — вверху, чему соответствует 12 ч по МЕГ.
а
0
0
8
0
6
в
0
6
0
0
координатах, широтно-долготных распределений плотности продольных токов (/ц) на высоте 175 км, рассчитанные стандартным способом (a) и полученные по модели Лукьяновой для Bz = 0
(б) и В г = —5 нТл (в). Карты для северного полушария (зимние условия) представлены на рис. 1, для южного (летние условия) — на рис. 2. Соответствующие им распределения электрического по-
Уц, мкА/м2 12
ф, кВ 12
-16
0
0
Рис. 2. То же, что и на рис. 1, но для диапазона геомагнитных широт 50°—90° Б
а
тенциала (ф) на той же высоте (175 км) в аналогичном формате представлены на рис. 1 и 2 справа. Принципиальное различие между широтно-дол-готными распределениями уЦ, полученными по модели Лукьяновой и рассчитанными стандартным
способом UAM, заключается в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.