научная статья по теме ТРЕХМЕРНАЯ ГЛОБАЛЬНАЯ ЧИСЛЕННАЯ ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ CHARM-I. УЧЕТ ПРОЦЕССОВ В ОБЛАСТИ D ИОНОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ТРЕХМЕРНАЯ ГЛОБАЛЬНАЯ ЧИСЛЕННАЯ ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ CHARM-I. УЧЕТ ПРОЦЕССОВ В ОБЛАСТИ D ИОНОСФЕРЫ»

УДК 551.510.53;523.98

ТРЕХМЕРНАЯ ГЛОБАЛЬНАЯ ЧИСЛЕННАЯ ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ CHARM-I. УЧЕТ ПРОЦЕССОВ В ОБЛАСТИ D ИОНОСФЕРЫ © 2015 г. А. А. Криволуцкий, Л. А. Черепанова, Т. Ю. Вьюшкова, А. И. Репнев

Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета, г. Долгопрудный (Московская обл.)

e-mail: alexei.krivolutsky@rambler.ru Поступила в редакцию: 10.09.2014 г. После доработки 28.01.2015 г.

Представлено описание численной глобальной трехмерной фотохимической модели CHARM-I (Chemical Atmospheric Research Model with Ions) и результаты расчетов глобальных распределений нейтральных и заряженных малых газовых составляющих атмосферы (в диапазоне высот 0—90 км), включая озон, окислы азота, электроны, положительные и отрицательные ионы и др. Модель является развитием трехмерной фотохимической модели нейтральных составляющих CHARM, в которую дополнительно включены реакции с участием ионов (общее число фотохимических реакций — 200). В качестве ионизирующих факторов в модель были включены потоки УФ радиации на длине волны Ly-a, а также галактические космические лучи. Для расчета концентраций нейтральных составляющих использовался метод "химических семейств", а при расчете концентраций заряженных — на каждом шаге интегрирования по времени накладывалось условие электронейтральности. Для описания пространственного переноса химически активной примеси в модели была использована схема Пратера. Созданная модель позволяет также учитывать воздействие солнечных вспышек и высыпаний частиц на ^-область.

DOI: 10.7868/S0016794015030128

1. ВВЕДЕНИЕ

В истории изучения верхней атмосферы были периоды бурного развития: первый в 30-х гг. XX столетия, время совершенствования радиосвязи, и второй — в конце 50-х гг., когда началось освоение космического пространства. Ионосферные исследования при этом стимулировались необходимостью прогноза состояния ионосферы для организации коротковолновой радиосвязи. К настоящему времени накоплен большой опыт как в теоретическом описании процессов, протекающих в ионосферной плазме и ее взаимодействии нейтральной средой и космическим пространством, так и в области ее экспериментального исследования. Тем не менее, исследования в этом направлении по-прежнему актуальны. В частности, важным является понимание и прогноз последствий искусственного воздействия на ионосферу, который возможен только с помощью численных моделей.

Традиционно ионосфера Земли делится на несколько областей, обозначаемых Б, Еи Р; последняя подразделяется на Р1 и Р2. Исторически такое деление возникло из-за образования последовательных плато электронной концентрации пе, наблюдаемых на ионограммах по временной задержке отражений радиосигнала при развертке по частоте. Критическая частота, при которой

возникает отражение, изменяется как пе , следо-

вательно, сигнал на более высоких частотах проникает глубже в ионосферу. Область Е была обнаружена первой и названа так потому, что представляет собой атмосферный слой, отражающий Е-вектор радиосигнала. Впоследствии были открыты расположенная ниже область D и расположенная выше область F, имеющая главный максимум концентрации заряженных частиц на высоте 250—300 км. Так называемая внешняя ионосфера простирается от главного максимума до высот 20—25 тыс. км. Обзоры, посвященные исследованиям ионосферы можно найти в работах [Данилов и Власов, 1973; Брюнелли и Намга-ладзе, 1987, Brasseur and Solomon, 2005; Криволуцкий, и Куницын, 2007].

В дальнейшем большинство сведений об ионизированных областях, полученных с помощью наземных и ракетных наблюдений, были основаны на распространении радиоволн. В связи с этим выделение различных ионосферных областей обычно проводится на основе изучения их влияния на распространение радиоволн, в частности, можно использовать методы томографии [Куницын и Терещенко, 1991]. В то же время области, открытые и идентифицированные радиотехническими методами, характеризуются также особыми аэрономическими условиями, а не только градиентом электронной концентрации. Возмущения на Солнце (вспышки и др.) часто приводят к сильным возмущениям в ионосфере,

включая нарушения в условиях распространения радиоволн. Наиболее низко расположенная область D ионосферы чувствительна к процессам в средней и даже нижней атмосфере, что позволяет говорить о "метеорологическом контроле" этой области [Данилов и др., 1987]. Одним из методов исследования процессов в ионосфере и их прогнозирования является также численное моделирование [Колесник и др., 1993]. Возможно и искусственное воздействие на ионосферу с помощью мощного источника радиоволн.

Кратко остановимся на характеристиках ионосферных слоев. Хотя идея о том, что ионосфера состоит из газа, ионизированного солнечным излучением, находила широкую поддержку, только С. Чепмен впервые [Chapman, 1931] разработал количественную теорию образования ионосферных слоев. Его работа служит основой для многих современных расчетов. Следует в то же время отметить, что использование теории, развитой С. Чепменом, требует некоторых оговорок

— Плоскопараллельная геометрия хода лучей неприменима вблизи восхода и захода Солнца.

— Реальная атмосфера обладает некоторым запаздыванием реакции на воздействие.

— Атмосфера не является изотермической, так что шкала высот зависит от высоты.

— Ионизирующее излучение не является монохроматическим.

— Продукты ионизации не остаются на той высоте, где они образовались, а смещаются вследствие амбиполярной диффузии.

Перечисленные ограничения в значительной степени преодолеваются в современных численных моделях, учитывающих взаимодействие различных физических факторов. С точки зрения физических процессов, области Е и F1 представляют собой в основном слои Чепмена.

Анализ порога фотоионизации и сечения поглощения атмосферных составляющих показывает, что солнечное излучение, способное вызвать ионизацию, в основном поглощается молекулами N2, O2, и атомами О на высотах более 100 км. Ниже 100 км мягкое ренгеновское излучение (1—10 нм) вносит вклад в ионизацию Е-области, а жесткое (<1 нм) — в ионизацию D-области, однако большая часть ионизирующего солнечного излучения приходится на линии водорода Лайман-а (121.6 нм), Лайман-р (102.6 нм), CIII (97.7 нм) и несколько других линий эмиссионного спектра Солнца в далекой ультрафиолетовой области. В таблице 1 приведены пороги ионизации некоторых атомов и молекул (см. ПРИЛОЖЕНИЕ).

Следует заметить, что поток солнечной радиации (в том числе и его ионизирующая часть) меняется в цикле активности Солнца. В таблице 2

приведены некоторые типичные значения потока ионизирующего излучения в упомянутых линиях.

Поток излучения Солнца в линии Лайман-а также меняется в цикле активности. Интенсивность меняется от (2.5—3.0) х 1011 фотон/(см-2 с-1) в минимуме активности до (4.0-6.0) х 1011 фо-тон/(см-2 с-1) — в максимуме. На основе исследования корреляции между интенсивностью линий Лайман-а и потоком радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см была предложена следующая формула:

qLa = 2.91 х 1011[1 + 0.20(^10.7 - 65)/100)],

где /10.7 - поток излучения на длине волны 10.7 см в единицах 10-22 Вт м-2 Гц-1.

Кроме поглощения ультрафиолетовой радиации, верхняя атмосфера может нагреваться за счет других механизмов, таких как химические реакции, поглощение энергии заряженными частицами, гидромагнитные волны, джоулево нагревание электрическими токами, диссипация энергии атмосферных гравитационных волн.

1.1. Вариации параметров ионосферы

Ионосфера может быть подвержена воздействиям, приводящим к возмущению ее параметров. Эти воздействия могут носить как регулярный характер (например, суточный и сезонный), так и спорадический. Отклик ионосферы на спорадические воздействия (солнечные вспышки, возмущения в магнитосфере и т.д.) может иметь очень сложную структуру, интерпретировать которую не всегда удается, поскольку действуют одновременно множество различных факторов.

1.2. Регулярные вариации

Из сказанного выше следует, что вариации в величине или спектре ионизирующих излучений или в концентрации и составе нейтральных частиц будут влиять на ионосферные характеристики. Такие вариации имеют регулярный или спорадический характер. Спорадические вариации будут рассмотрены ниже. Регулярные вариации можно классифицировать в соответствии с временным масштабом явления. Основными являются суточные, сезонные и гелиоциклические.

1.3. Суточные вариации

Ночью, когда Солнце уходит за горизонт, исчезает основной источник ионизации (остается слабый источник ионизации космическими лучами). Прекращаются также процессы фотоотлипания, а фотохимические продукты начинают исчезать.

В области Б электроны исчезают за счет процессов прилипания, хотя остаточная ионосфера

все же сохраняется ночью вследствие процессов отлипания при столкновении и ассоциативного отлипания, а также под действием слабого потока излучения в линии Ьу-а, которое рассеивается водородной короной в неосвещенную полусферу и ионизирует окись азота.

Ночью электронная концентрация в области Е также быстро уменьшается вследствие электронно-ионной рекомбинации. При этом в ночное время могут существовать два источника — электромагнитный (в первую очередь, рассеянное излучение Лайман-а, Лайман-Р) и корпускулярный (потоки мягких электронов с энергиями 1—10 кэВ). Концентрации электронов при этом могут достигать 103—104 см-3 в зависимости от геомагнитных условий. Время наступления сумерек зависит от высоты, поэтому исчезновение электронов на высотах области.

На слой Р1 оказывает влияние не только прекращение фотоионизации, но и прекращение фотохимического образования нейтральных атомов. Концентрации электронов при этом могут достигать 103—104 см-3 в зависимости от геомагнитных условий. Время наступления сумерек зависит от высоты, поэтому исчезновение электронов на высотах области Р1 начинается позже, чем на высотах области Б. Скорости исчезновения электронов в области Р также меньше из-за высоких температур и меньших концентраций частиц.

Слой Р2 ночью не исчезает. После захода Солнца электронная концентрация уменьшается, а затем мало меняется. Возможно, в ночное вре

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