научная статья по теме СРАВНЕНИЕ ИЗМЕРЕННЫХ ИОНОЗОНДОМ МОСКВЫ И ВЫЧИСЛЕННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕКТРОНОВ МАКСИМУМА СЛОЯ E ИОНОСФЕРЫ В ВЕСЕННИХ УСЛОВИЯХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СРАВНЕНИЕ ИЗМЕРЕННЫХ ИОНОЗОНДОМ МОСКВЫ И ВЫЧИСЛЕННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕКТРОНОВ МАКСИМУМА СЛОЯ E ИОНОСФЕРЫ В ВЕСЕННИХ УСЛОВИЯХ»

УДК 533.95:537.84:551.510.535

СРАВНЕНИЕ ИЗМЕРЕННЫХ ИОНОЗОНДОМ МОСКВЫ И ВЫЧИСЛЕННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕКТРОНОВ МАКСИМУМА СЛОЯ E ИОНОСФЕРЫ В ВЕСЕННИХ УСЛОВИЯХ

© 2015 г. А. В. Павлов, Н. М. Павлова

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),

г. Москва, г. Троицк e-mail: pavlov@izmiran.ru Поступила в редакцию 20.02.2014 г. После доработки 14.07.2014 г.

Выполнено сравнение измеренных ионозондом Москвы концентраций электронов максимума слоя E ионосферы NmE с результатами теоретических расчетов NmE в геомагнито-спокойных условиях при низкой солнечной активности 1 апреля 1986 г. и 6 апреля 1996 г., умеренной солнечной активности 9 апреля 1978 г. и 6 апреля 1998 г. и высокой солнечной активности 20 апреля 1980 г. и 15 апреля 1991 г. На основании этого сравнения предложена коррекция модельного потока рентгеновского излучения Солнца. Найденная изменчивость факторов коррекции свидетельствует о влиянии вариаций потока рентгеновского излучения Солнца на изменчивость NmE. Изучена зависимость от уровня солнечной активности влияния ионизации нейтральных компонентов фотоэлектронами на NmE.

DOI: 10.7868/S0016794015020145

1. ВВЕДЕНИЕ

Ионизация нейтральных компонентов атмосферы солнечным излучением и возникающими в этом процессе фотоэлектронами приводит к образованию ионов и электронов области E ионосферы. При использовании модели MEUVAC [Solomon and Qian, 2005] потока ионизирующего излучения Солнца, являющейся модификацией модели EUVAC [Richards et al., 1994], точность расчетов потоков фотоэлектронов и концентраций электронов и ионов на высотах области E ионосферы заметно выше за счет более детального, чем в модели EUVAC, разбиения спектра солнечного излучения в области длин волн менее 35 нм [Solomon and Qian, 2005; Solomon, 2006; Meier et al., 2007]. В работах [Solomon and Qian, 2005; Solomon, 2006; Meier et al., 2007] также показано, что ионизация нейтральных компонентов фотоэлектронами существенно влияет на концентрации ионов и электронов рассматриваемой области высот. Модель MEUVAC, приближенный метод расчета скоростей образования ионов и электронов при ионизации нейтральных компонентов фотоэлектронами [Solomon and Qian, 2005] и наиболее точные выражения для коэффициентов скоростей химических реакций ионов ионосферы [Pavlov, 2012] позволяют рассчитать концентрации ионов и электронов области Е ионосферы.

Модели MEUVAC и EUVAC в основном основаны на измерениях потока ионизирующего излучения Солнца приборами спутника AE-E и нескольких ракет [Richards et al., 1994; Solomon and Qian, 2005]. В основу этих моделей положен спра-

вочный поток F74113 солнечного излучения, измеренный при низкой солнечной активности 24 апреля 1974 г. во время ракетного пуска [Heroux and Higgins, 1977]. Поток F74113 был увеличен в 2 раза при изменении длины волны от 15 до 20 нм и в 3 раза в области длин волн менее 15 нм исходя из согласования вычисленных и измеренных потоков фотоэлектронов [Richards et al., 1994]. Коррекция данного потока проводилась также в ряде других диапазонов длин волн [Solomon and Qian, 2005]. В то же время, на высотах ионосферы вычисленные потоки фотоэлектронов зависят не только от потока солнечного излучения, но и от ряда других входных параметров модели потока фотоэлектронов [Кринберг, 1978], величины которых известны в пределах ошибок измерений или расчетов. Кроме того, точность измерений потоков фотоэлектронов даже в лабораторных условиях--40 % [Woods et al., 2003]. Поэтому неопределенность потока ионизирующего излучения Солнца, вычисленного с помощью модели MEUVAC, может влиять на концентрацию электронов максимума слоя E ионосферы NmE.

Спутниковые и ракетные измерения потока солнечного излучения в течение 22-го цикла солнечной активности (1986—1996 гг.) позволили построить модель WR зависимости потока солнечного излучения от солнечной активности [Woods and Rottman, 2002]. Представляет интерес провести сравнение NmE, вычисленных с использованием моделей WR и MEUVAC, с NmE, измеренными ионозондом Москвы при низкой, умеренной и высокой солнечной активности вблизи весеннего равноденствия.

Среди входных параметров теоретической модели области E ионосферы, оказывающих существенное влияние на NmE, наименее точным является модельный поток рентгеновского излучения Солнца [Pavlov and Pavlova, 2013]. На основании сравнения вычисленных и измеренных NmE в настоящей работе оценена корректность потока рентгеновского излучения Солнца, рассчитанного с помощью моделей WR и MEUVAC, и выполнена коррекция этого потока при наличии рассогласования теоретических и экспериментальных значений NmE. Используя теоретическую модель области Е ионосферы с коррекцией потока рентгеновского излучения Солнца, в данной работе исследовано влияние ионизации нейтральных компонентов фотоэлектронами на NmE средних широт при низкой, умеренной и высокой солнечной активности над Москвой вблизи весеннего равноденствия.

2. МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОСТАВА И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОБЛАСТИ E ИОНОСФЕРЫ СРЕДНИХ ШИРОТ

В ионосферной модели [Pavlov and Pavlova,

2013] рассматриваются ионы NO+, O+, N+, O+(4S), O+(2D), O+(2P), N+ и электроны на высотах области Е ионосферы. Концентрации N ионов находятся путем решения уравнений непрерывности

dN = Poi(0 + P(i) + PSCat(0 + Q(i) - L(i), (1)

dt

где Psol(i) и Pf(i) — скорости образования ионов при ионизации нейтральных компонентов солнечным излучением и фотоэлектронами; Q(i) и L(i) — скорости образования и исчезновения ионов в химических реакциях [Pavlov, 2012; Pavlov and Pavlova, 2013]; Pscat(i) — скорость образования ионов при ионизации нейтральных компонентов рассеянной на атомах водорода и гелия солнечной радиацией [Каширин, 1986; Павлов, 2008]. Электронная концентрация Ne вычисляется из

условия квазинейтральности Ne = X Nt.

Скорость Psol(i) образования ионов сорта i при ионизации нейтральных компонентов солнечным излучением и поток Ф(Х,-) солнечного излучения в исследуемой точке атмосферы определяются выражениями [Brasseur and Solomon, 2005]

Psol(i) = X Nn X ^j w j ),

« j (2) Ф(Ху) = ФЛ^ j )exp(-T j ),

где Nn — концентрация нейтрального компонента сорта n; Xj соответствует диапазону длин волн участка спектра или длине волны линии спектра ионизирующего излучения Солнца; j — номер участка или линии спектра ионизирующего сол-

нечного излучения; стп(ку) — сечение фотоионизации или диссоциативной фотоионизации нейтрального компонента сорта п с образованием иона сорта ¡; Фх(к) — поток солнечного излучения на орбите Земли, вычисляемый в настоящей работе с помощью модели МЕЦУАС или WR; оптическая толща т атмосферы

~ (3)

^ = X <(х j№,

n

W« = J N«dS,

(4)

<5a„(k j ) — сечение фотопоглощения нейтрального компонента сорта n; S — расстояние вдоль траектории луча света от значения Sz, соответствующего рассматриваемой высоте z атмосферы.

Отметим, что в промежутке времени от захода до восхода Солнца Psol(i) = Ф(Ху) = 0. Алгоритм определения моментов времени восхода и захода Солнца на рассматриваемой высоте представлен в работах [Павлов и Павлова, 2010; Pavlov et al., 2010].

В сферически симметричной атмосфере можно перейти от интегрирования вдоль координаты S к интегрированию по высоте h. В этом случае из геометрического рассмотрения прохождения луча света через атмосферу следует, что на рассматриваемой высоте z атмосферы при зенитных углах Солнца х ^ 90° [Brasseur and Solomon, 2005]

W« =

J FlN„dh,

а для х > 90°

Wn = JFlNndh + 2 JF2Nndh,

(5)

(6)

где F1 = [1 — (Re + z)2(RE + h)-2sin2 х]-05, F2 = [1 — — (Re + Zc)2(Re + h)-2 sin2 х]-05, Zc = R^sin х — 1) + + zsinх, Re — радиус Земли, z0 > 0.

Сечения фотопоглощения, фотоионизации и диссоциативной фотоионизации N2, O2 и O [Fenelly and Torr, 1992; Henke et al., 1993] преобразованы в работе [Solomon and Qian, 2005] для неравномерной сетки длин волн модели MEUVAC. Однако в области энергий от 50 эВ до 30 кэВ сечения фотоионизации и фотопоглощения N2 и O2, представленные в обзоре [Henke et al., 1993], занижены [Stolte et al., 1998]. Используя экспериментальные данные [Stolte et al., 1998], можно определить корректные значения этих сечений для части рассматриваемой сетки длин волн [Pavlov, 2014], и эти скорректированные сечения используются в настоящей работе. Сечения фотопоглощения, фотоионизации и диссоциативной фотоионизации нейтральных компонентов [Fenelly and Torr, 1992; Stolte et al., 1998] были преобразова-

S

z

z

ны для равномерной сетки длин волн модели WR потока солнечного излучения.

В модели MEUVAC зависимость потока солнечного излучения на орбите Земли от уровня солнечной активности определяется изменениями индексов /10.7 и (F10.7)g1 солнечной активности:

Ф»(Ху) = Fgo(Xj)[1 + Cj(A10.7 — 80)], (7) где A10.7 = 0.5(F10.7 + <F10.7)g1); F10.7 - среднесуточный поток излучения Солнца на длине волны 10.7 см для рассматриваемых суток; (F10.7)g1 — среднеарифметическое значение индекса F10.7 за период 81 сут с центром в рассматриваемые сутки; величины Xj, Fg0(Xj) и Cj приведены в работе [Solomon and Qian, 2005].

В модели WR вариации индекса F10.7 и среднеарифметического значения (F10.7)27 индекса F10.7 за период 27 сут с центром в рассматриваемый день определяют зависимость потока солнечного излучения на орбите Земли от уровня солнечной активности [Woods and Rottman, 2002; Marsh et al., 2007]:

Ф„frj) = (Ф«Дj))27 {1 + - 1] х х (F 10.7 - (F10.^27V^27 + [Rii(Xj) - 1] х (8) х ((F10.^27 - Fmin)/(Fmax - Fmin)}, где (Фот(Х/))27 — средний за период 27 сут поток солнечного излучения на орбите Земли при низкой солнечной активности, Fmin = 71, Fmax = 212, F27 = 73, коэффициенты R27(Xj) и R11(Xj) и поток (Фот(Ху))27 приведены в работе [Woods and Rottman, 2002], а более поздняя версия этих величин может быть скопирована с сайта ftp://laspftp.colo-rado.edu/pub/solstice/ref_min_27day_11yr.dat.

Столкновения фотоэлектронов с нейтральными компонентами приводят к образованию ионов сорта i со скоростью Pj(i), при вычислении которой используется приближенная аналитическая аппроксимация численных расчетов [S

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.

Показать целиком