ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 4, с. 528-533
УДК 550.388.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ О-ОБЛАСТИ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНОЙ ВСПЫШКИ 5 АПРЕЛЯ 2004
© 2007 г. В. Д. Терещенко, А. П. Осепян, В. А. Терещенко
Полярный геофизический институт, КНЦ РАН, Мурманск e-mail: vladter@pgi.ru Поступила в редакцию 11.07.2006 г.
На основе теоретической модели ионной химии рассмотрено воздействие сильной солнечной вспышки на изменение ионного состава и электронной плотности D-области полярной ионосферы. Установлено хорошее соответствие модельных профилей электронной концентрации Ne(h) с экспериментальными данными, найденным методом частичных отражений во время вспышки. Показано, что уменьшение эффективного коэффициента рекомбинации, наблюдаемое во время возмущений, объясняется уменьшением относительного содержания быстро рекомбинирующих сложных ионных связок.
PACS: 94.20.Ac; 94.20.Ee; 96.60.qe
1. ВВЕДЕНИЕ
До сих пор нижняя ионосфера (область высот 50-90 км) остается недостаточно изученной как в экспериментальном, так и в теоретическом отношении. Развитию теории мешает сложный ионный состав, отсутствие сведений о константах скоростей некоторых реакций и недостаточные данные о высотном распределении малых составляющих атмосферы. Экспериментальное изучение затруднего ввиду относительно низкого содержания электронов и высокой плотности атмосферы. Поэтому для лучшего понимания физических процессов, происходящих в нижней ионосфере, целесообразно использовать как теоретическое моделирование области Б, так и экспериментальные исследования ее структуры различными методами.
В первой половине апреля 2004 г. на Солнце произошли четыре вспышки класса М, во время которых проводились измерения высотных профилей электронной концентрации в Б-области полярной ионосферы методом частичных отражений радиоволн. Характеристики измерительного комплекса, методика и результаты измерений представлены в работах [Беликович и др., 2003, 2006; Терещенко и др., 2003; Теге8ЬсЬепко ег а1., 2005].
Целью работы является исследование влияния сильной солнечной вспышки на структуру Б-обла-сти полярной ионосферы с помощью теоретической модели ионной химии, разработанной в Полярном геофизическом институте (ПГИ) [8ш1гпоуа ег а1., 1988].
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПГИ
Используемая ниже модель ионизационно-ре-комбинационного цикла Б-области ионосферы позволяет вычислить плотности четырех положительных ионов: O+, NO+, C в+, C в+, четырех
отрицательных ионов: O-, О-, CO33, NO33, электронов Ne, скорость ионообразования q, эффективный коэффициент рекомбинации aef, дифференциальное и интегральное поглощение коротких радиоволн. Символы C в+ и C в+ обозначают первичные и наиболее сложные вторичные ионные связки или кластеры. Скорости процессов преобразования первичных положительных ионов O+, NO+ в ионы-связки C в+, менее сложных ионов-связок C в+ в наиболее сложные C в+, а также первичных отрицательных ионов O- и O- в промежуточный
ион CO3 даны эффективными параметрами, найденными из детальных схем преобразования ионов. Эти эффективные параметры содержат зависимости от температуры Т и влажности H2O атмосферы, а также от концентрации малых нейтральных составляющих O, O3, CO2.
Подробное описание и обоснование основных принципов построения модели, константы скоростей процесса в ней даны в работах [Смирнов и Власков, 1983; Смирнова и др., 1984-1987; Smirno-va et al., 1988]. Модель была тестирована и показала хорошие результаты для авроральных процессов на высотах h > 70 км [Osepian and Smirnova, 1996].
Электронная плотность, см 3
Рис. 1. Профили электронной плотности, измеренные методом частичных отражений и вычисленные по заданным значениям интенсивности жесткого рентгеновского излучения, до и во время максимума вспышки.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
Сравним значения электронной плотности, полученные методом частичных отражений в Туманном (69.0° N 35.7° E), с результатами моделирования. На рис. 1 представлены Ы(й)-профили, измеренные 5 апреля 2004 г. до вспышки рентгеновского излучения (05:00-05:05 ЦТ) и в момент ее максимума (05:55-06:00 ЦТ). Показаны также Ы(й)-профили, вычисленные на основе теоретической модели. Для расчета скорости ионизации жестким рентгеновским излучением были использованы данные измерений потоков солнечных X-лучей: ./(X!) и /(Х2), полученные на спутнике GOES-10 соответственно в диапазонах длин волн 0.5-3 А и 1-8 А [/ftp://ftp.ngdc.giv/STP/S0-ЬАЯ.БАТА/]. Потоки /(Хх) и /(Х2) во время наблюдений оценивались следующими значениями: 8 х 10-6 и 2 х 10-4 эрг/см2 с в 05:00 иТ; 3 х 10-3 и 2.5 х 10-2 эрг/см2 с в 05:55 ЦТ.
Прежде всего отметим, что в спокойных условиях (до вспышки) модель достаточно хорошо воспроизводит измеренные значения электронной плотности на высотах 70-95 км. Мы видим также хорошее совпадение вычисленных и измеренных значений Ые на высотах 60-80 км и во время максимума вспышки. Отсюда следует, что рассматриваемую теоретическую модель нижней ионосферы можно использовать для объяснения процессов изменения электронной концентрации и состава ионов в В-области во время солнечных вспышек.
В соответствии с общеизвестным уравнением баланса ионизации
N = ЪеЛГ (1)
увеличение концентрации электронов во время вспышки на Солнце может быть вызвано ростом
Рис. 2. Скорость ионизации, обусловленная жестким рентгеновским излучением, и полная скорость ионизации до и во время максимума вспышки.
скорости ионообразования q в результате увеличение потока ионизирующего излучения /(X) и уменьшением эффективного коэффициента рекомбинации ае# из-за изменения ионного состава В-области ионосферы.
Примеры расчета высотного профиля скорости ионизации в нижней полярной ионосфере в спокойных условиях и во время вспышки показаны на рис. 2. На рисунке видно, как сильно (на 1-3 порядка величины) изменяется скорость образования электронов на высотах области В во время максимума вспышки по сравнению со значениями для спокойных условий. Также показана относительная роль электромагнитного и рентгеновского излучений Солнца в ионизации на разных высотах. Из модельных расчетов профиля полной скорости образования электронов во время вспышки следует, что эффект внезапных ионосферных возмущений в В-области фактически обусловлен жестким рентгеновским излучением.
На рис. 3, 4 представлены модельные распределения ионов по высоте, полученные для спокойных условий (05:00 ЦТ) и в момент максимума вспышки (05:55 ЦТ). Видно, что распределения ионов по высоте делятся на три области. Особенно четко это видно из рассмотрения высотного хода суммарной плотности молекулярных ионов и двух сортов ионных связок (рис. 5). Первая область находится на высотах выше 85 км. Здесь основными ионами являются обычные молекулярные ионы окиси азота N0+ и кислорода 0+, с коэффициентом рекомбинации а = 2 х 10-7 см3 с-1. В этой области концентрация ионов окиси азота превышает концентрацию ионов молекулярного кислорода. Вторая область располагается на высотах 75-85 км. В ней преобладают первичные ионы-связки С в+, к которых коэффициент рекомбинации значительно больше: аСв1 = 2 х 10-6 см3 с-1.
Высота, км
Концентрация, см 3
-----0.5 : 00 ит -0.5 : 55 ит
★ 0+ + N □ 0+ • Св+
Рис. 3. Высотные профили основных положительных ионов в Б-области.
В невозмущенных условиях ионизуются в основном молекулы N0 и образование связок идет главным образом из ионов N0+ [Данило, 1989]. В рассматриваемый период времени отрицательные ионы не играют здесь заметной роли. В третьей области (приблизительно ниже 70 км) основными положительными ионами являются сложные
ионы-связки С в+ с еще более высоким эффективным коэффициентом диссоциативной рекомбинации аСв2 = 1 х 10-5 см2 с-1. Здесь к положительным ионам добавляются отрицательные (см. рис. 4), которые в этой области играют существенную или даже основную роль.
Во время солнечной вспышки рентгеновского излучения уровень резкого уменьшения концентрации ионных связок смещается вниз на 5 км (рис. 3 и 5), т.е. опускается до высот 80 и 70 км соответственно для связок С в+ и С в+. Доля ионов
0+ с увеличением высоты в нижней ионосфере постепенно растет и на высотах выше 80 км они становятся преобладающими ионами. Во время вспышки ионизуются молекулы азота и кислорода и образование ионов-связок идет из ионов 0+, т.е. при возмущениях молекулярные ионы окиси азота и кислорода меняются ролями. Концентрации положительных первичных ионов 0+ и N0+,
ионов-связок С в+ и основных отрицательных ионов во время вспышки увеличиваются на всех
-----0.5 : 00 ит -0.5 : 55 ит
★ 0- + Ш- □ 0- • С0-
Рис. 4. Высотные профили основных отрицательных ионов в Б-области.
высотах Б-области. Концентрация сложных ионов-связок С в+ увеличивается только в нижней части Б-области, а на высотах к > 80 км уменьшается.
При исследовании нижней ионосферы для измерения вклада ионных связок и отрицательных ионов часто используются параметры [Митра,
□ - ионы-связки + - сложные ионы-связки о - ионы ионы-связки
Рис. 5. Суммарная плотность всех положительных ионов и ионов-связок.
A-, f
Рис.6. Высотные профили параметров /+ и X в спокойных условиях и во время возмущения.
Эффективный коэффициент рекомбинации, см3 с-1
Рис. 7. Эффективный коэффициент рекомбинации в спокойных условиях и во время вспышки.
1977; Данилов, 1989]: f+ = Nc, /N (отношение концентраций положительных ионов-связок и обычных ионов) и A- = N/N (отношение концентрации отрицательных ионов к концентрации электронов). Некоторые оценки величин f+ и A- представлены на рис. 6. Они включают в себя результаты модельных расчетов перед вспышкой, а также во время вспышки рентгеновского излучения. Видно, что во время вспышки относительное содержание ионов-связок и отрицательных ионов уменьшается на всех высотах области D. При этом параметр A-изменяется незначительно (не более, чем в два раза), хотя скорость ионообразования (см. рис. 2) изменяется на порядок величины и более.
Модельные профили эффективного коэффициента рекомбинации afh), рассчитанные методом скорости образования электронов [Митра, 1977] по данным спутниковых измерений рентген
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.