КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 1, с. 62-72
УДК 550.388.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКЛИКА СИСТЕМЫ ТЕРМОСФЕРА-ИОНОСФЕРА НА ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ 2008 И 2009 ГОДОВ
© 2013 г. М. В. Клименко1, В. В. Клименко1, Ю. Н. Кореньков1, Ф. С. Бессараб1, И. В. Карпов1,
К. Г. Ратовский2, М. А. Черниговская2
1Западное отделение Института земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В. Пушкова РАН, г. Калининград maksim.klimenko@mail.ru 2Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск Поступила в редакцию 02.04.2012 г.
В работе представлено исследование отклика термосферы и ионосферы на внезапные стратосферные потепления (SSW), которые произошли в январе 2008 и 2009 гг. Теоретической основой данного исследования стала Глобальная Самосогласованная Модель Термосферы, Ионосферы и Протоно-сферы (ГСМ ТИП), разработанная в Западном отделении ИЗМИРАН. Проведено сравнение результатов расчетов термосферно-ионосферного отклика на SSW события с данными наблюдений над Иркутском, а также с теоретическими и экспериментальными исследованиями, выполненными за последние годы. Событие SSW моделировалось заданием возмущений нейтральных температуры и плотности на нижней границе модели ГСМ ТИП (80 км над поверхностью Земли). Показано, что возмущения, связанные с SSW, приводят к значительным глобальным эффектам в термосфере и ионосфере. Анализ данных наблюдений показал, что, несмотря на очень близкие гелио-геофизические условия, на фоне которых происходили два рассмотренных события стратосферного потепления, возмущения температуры на высотах мезосферы и нижней термосферы, заметно отличаются друг от друга, хотя имеются некоторые общие закономерности, особенно на высотах F области ионосферы.
DOI: 10.7868/S0023420613010056
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время выяснилось, что существенная часть изменчивости термосферы и ионосферы связана с процессами, протекающими в более низких слоях атмосферы, в частности, в стратосфере (~30 км) и мезосфере (~80 км). Проблема взаимодействия стратосферы, мезосферы и нижней термосферой (MLT — Mesosphere and Lower Thermosphere), с ионосферой представляется весьма важной научной задачей для понимания изменчивости ионосферной плазмы. Одним из примеров достаточно регулярных событий в стратосфере (30—40 км) является внезапное стратосферное потепление (SSW — Sudden Stratospheric Warming). В принципе, некоторые механизмы взаимосвязи средней атмосферы и термосферы, а, следовательно, и ионосферы в настоящее время известны [1], но детали физических процессов, вовлеченных в события SSW, остаются недостаточно понятными [2]. Событие SSW является одним из самых драматических метеорологических явлений в зимней стратосфере высоких широт. С помощью таких событий удобно ис-
следовать взаимосвязь между нижними и верхними слоями атмосферы. Во время этих событий температура стратосферы в зимнем полушарии быстро увеличивается на десятки градусов, обычный полярный вихрь либо изменяет свою форму и местоположение, либо совсем разрушается [3]. Стратосферные потепления сопровождаются возрастанием волновой активности, в частности, усилением планетарных волн (PW — Planetary Wave) обычно с зональным волновым числом 1 или 2 и изменением интенсивности внутренних гравитационных волн. Хотя SSWявляется стратосферным событием, с ним также связаны изменения термодинамического режима на больших высотах, что подтверждается как экспериментальными, так и теоретическими исследованиями. Вариации стратосферной и мезосферной температуры регистрируются различными методами: наземными наблюдениями свечения ОН, O2, О [4], метеорными радарами [5], эмиссионными радиометрами на спутниках [6] и другими приборами. Серия наземных экспериментов показала значительные вариации термосферной темпера-
туры во время стратосферных потеплений [7] на средних широтах: повышение температуры на высотах вблизи 120 км и понижение на высотах более 150 км. Планетарные волны, проникая на высоты мезосферы, вызывают изменение состава и приливных колебаний, и эти вариации могут вызывать изменения в ионосфере [8—13]. Связующие механизмы между нижней атмосферой и MLT областью исследовались методами численного моделирования с использованием моделей TIME-GCM (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Electrodynamics General Circulation Model) [14—16] в области высот 30—600 км и WAM (Whole Atmosphere Model) [17, 18] на высотах 0—600 км. В этих работах показано, что PW могут модифицировать суточные и полусуточные приливы и, следовательно, электрическое динамо поле и вертикальный дрейф плазмы, особенно в низких широтах. Отметим, что в модельных расчетах, представленных в [16], величины вариаций динамо поля были недооценены, а результаты расчетов в [18] показали более близкие к эксперименту значения вертикального дрейфа вблизи геомагнитного экватора, но ионосферные эффекты при этом не рассматривались.
В последние десятилетия измерения полного электронного содержания (ТЕС — Total Electron Content) с помощью сети приемников сигналов с высоколетящих спутников широко использовались для исследования ионосферы в спокойных и возмущенных условиях [19, 20]. В частности, детальный анализ вариаций ТЕС во время SSW представлен в работах [8, 9, 21]. В [16] показано, что задание на нижней границе модели TIME-GCM (30 км) стационарной планетарной волны s = 1 приводит к смещению гребней экваториальной аномалии на большие широты в утреннем секторе и к заметному изменению ТЕС на низких широтах, которое, однако, получается в модельных расчетах гораздо меньшим по величине, чем в эксперименте. Различие между теоретическими и экспериментальными данными может объясняться как неоднозначным выбором входных данных модели, так и упрощенным описанием некоторых физических процессов. Поэтому проведение численных расчетов с использованием глобальных самосогласованных моделей для описания SSWсобытий и сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными является хорошей проверкой адекватности моделей и различных гипотез о связи процессов, происходящих в системе термосфера-ионосфера и в средней атмосфере. Следует отметить, что почти все модельные исследования в последнее время были направлены на объяснение отклика низкоширотной ионосферы на SSWсобытия. Однако, как показывают данные наблюдений, стратосферное
потепление, происходящее в высоких широтах, приводит к глобальному изменению термосфер-но-ионосферных параметров [10, 22]. В настоящей работе мы попытались с помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли воспроизвести глобальный отклик термосферно-ионосферных параметров на два сильных стратосферных потепления 2008 и 2009 гг. и сравнить возмущения системы мезосфера—термосфера— ионосфера, связанные с этими двумя событиями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ГСМ ТИП
Для воспроизведения глобального отклика верхней атмосферы Земли на SSW событие мы использовали Глобальную Самосогласованную Модель Термосферы, Ионосферы и Протоносфе-ры (ГСМ ТИП) [23, 24], разработанную в лаборатории моделирования ионосферных процессов Западного отделения ИЗМИРАН. Модель основана на численном интегрировании системы квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц холодной околоземной плазмы совместно с уравнением для потенциала электрического поля в интервале высот от 80 км до геоцентрического расстояния в 15 земных радиусов с учетом несовпадения географической и геомагнитной осей Земли. Модель ГСМ ТИП рассчитывает для заданных входных данных глобальные распределения температуры Tn, концентраций (О2, N2, О) и вектора среднемассовой скорости нейтральной составляющей верхней атмосферы Земли, концентраций, температуры и скорости атомарных (О+, Н+) и молекулярных ионов и электронов, а также двумерное распределение потенциала электрического поля ионосферного и магнитосферного происхождения. Магнитное поле Земли аппроксимируется наклоненным диполем. В модели используется пространственная сетка в геомагнитной системе координат с шагами 5° по широте, 15° по долготе и переменным шагом по вертикали, растущим с высотой.
Начальные условия для решения системы моделирующих уравнений, которое осуществлялось конечно-разностными методами, выбирались произвольным образом. При этом расчеты проводились с шагом 2 мин до получения квазипериодических решений для соответствующих гелио-геофизических условий. Основными входными параметрами модели являются солнечное УФ- и КУФ-излучение, энергия и поток энергии высыпающихся авроральных электронов, задававшиеся по эмпирической модели [25], разность потенциалов через полярные шапки и продольные токи второй зоны. В работах [26, 27] была представлена
250 240 ^ 230 ^ 220 210 200
60-90°N
Медианные значения за 30 лет
2008 год
2009 год
0 10 20 30 40 День года
50
60
Рис. 1
новая модель электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли, которая заменила старый блок расчета электрических полей в модели ГСМ ТИП. Эта модернизация позволила корректно описывать электрические поля и токи в ионосфере низких и экваториальных широт. В модели ГСМ ТИП корректно учитываются электромагнитные дрейфы плазмы под действием зонального и меридионального электрического поля, нейтральные ветры, диффузия тепловой плазмы вдоль силовых линий геомагнитного поля, фотоионизация, ионизация за счет высыпающихся электронов и основные фотохимические реакции.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для проведения расчетов были выбраны два случая SSW событий, имевших место 15— 30.1.2008 и 2009 гг. Эти периоды характеризовались низкой солнечной (F107 ~ 75) и геомагнитной (ЕКр < 20) активностью. На рис. 1 показаны возмущения стратосферной (10 ГПа) температуры на высоте ~30 км в высоких широтах (60—90° N) в первые два месяца 2008 и 2009 гг. Они были получены из базы данных National Center for Environmental Prediction. Пик потепления приходился в обоих случаях на 22—24 января. Однако, если в 2008 г. имело место несколько повышений стратосферной температуры после главного пика, то в 2009 г. после продолжительного повышения температуры последовало ее понижение. Следует от
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.