ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 659-673
УДК 533.95:537.84:551.510.535
ВЛИЯНИЕ ЗОНАЛЬНОГО E X B ДРЕЙФА ПЛАЗМЫ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ ЭЛЕКТРОНОВ ОБЛАСТИ F ИОНОСФЕРЫ НИЗКИХ ШИРОТ В МАКСИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ВБЛИЗИ ОСЕННЕГО РАВНОДЕНСТВИЯ
© 2007 г. А. В. Павлов, Н. М. Павлова
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,
Троицк (Московская обл.) e-mail: pavlov@izmiran.rssi .ru Поступила в редакцию 19.06.2006 г.
Используя трехмерную нестационарную теоретическую модель концентраций Ne, Ni и температур Te, Ti электронов и ионов области F ионосферы и плазмосферы низких и средних широт, исследованы изменения концентрации NmF2 максимума слоя F2 ионосферы под действием зонального дрейфа плазмы перпендикулярно магнитному B и электрическому E полям в направлении геомагнитный запад - геомагнитный восток. В модели используется метод численных расчетов Ne, Ni, Te, Ti, включающий в себя преимущества методов Лагранжа и Эйлера. При вычислениях принимается ди-польная аппроксимация геомагнитного поля B с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов и отличия местоположения центров Земли и геомагнитного диполя. Проведено сравнение вычисленных и измеренных NmF2 и высот hmF2 максимума слоя F2 на 16 низкоширотных станциях ионосферного зондирования ионосферы во время геомагнито-спокойного периода 11-12 октября 1958 г. Это сравнение позволило выполнить коррекцию входных параметров модели: [O] модели NRLMSISE-00, меридиональной компоненты скорости нейтрального ветра модели HWW90 и меридиональной компоненты экваториального дрейфа плазмы за счет электрического поля, заданного эмпирической моделью. Показано, что влиянием зонального E х B дрейфа плазмы на NmF2 можно пренебречь в дневных условиях и изменения NmF2 и hmF2 под действием этого дрейфа незначительны в ночных условиях севернее 25° и южнее -26° геомагнитной широты. Влияние зонального E х B дрейфа плазмы на NmF2 и hmF2 наиболее существенно в ночной ионосфере примерно от -20 до 20° геомагнитной широты, и неучет этого дрейфа плазмы приводит к занижению NmF2 до 2.4 раз. Найденная зависимость влияния зонального E х B дрейфа плазмы на NmF2 и hmF2 от геомагнитной долготы связана с долготной асимметрией B, асимметрией нейтрального ветра относительно геомагнитного экватора и изменениями меридионального E х B дрейфа плазмы с геомагнитной долготой.
PACS: 94.20.Ii; 94.20.Vv
1. ВВЕДЕНИЕ
Электрическое поле E вызывает дрейф ионов и электронов ионосферы перпендикулярно геомагнитному полю B со скоростью V = E х B/|B|2 выше примерно 150 км. Скорость E х B дрейфа плазмы имеет составляющие в плоскости геомагнитного меридиана (меридиональный дрейф плазмы) и перпендикулярно этой плоскости (зональный дрейф плазмы в направлении геомагнитный запад - геомагнитный восток). В работе [Sterling et al., 1969] показано, что влияние зонального E х B дрейфа плазмы на концентрацию Ne ионосферы низких широт незначительно как при низкой, так и при высокой солнечной активности. Однако, как было отмечено в работе [Anderson, 1981], используемая в расчетах [Srerling et al. 1969] суточная вариация зональной компоненты V противоречит наблюдаемым вариациям этой компоненты скорости дрейфа плазмы [Fejer et al., 1981], и вышеуказанные выводы [Sterling et al., 1969] не
могут быть признаны. Используя измерения [Fejer et all, 1981] зонального E х B дрейфа плазмы, в работе [Anderson, 1981] были представлены расчеты влияния зонального дрейфа плазмы на ионосферу низких широт при высокой солнечной активности вблизи весеннего равноденствия и показано, что этот дрейф слабо влияет на концентрацию NmF2 максимума слоя F2 ионосферы в 20:00 и 24:00 LT над геомагнитным экватором и оказывает некоторое влияние на высоту hmF2 максимума слоя F2 (см. рис. 10 работы [Anderson, 1981]). Меридиональная и зональная компоненты E х B дрейфа плазмы включены в уравнения, лежащие в основе модели Namgaladze et al., [1986]. Однако целенаправленного исследования влияния зонального дрейфа плазмы на структуру низкоширотной ионосферы не проводилось с помощью этой модели в опубликованных статьях. На основании работы [Anderson, 1981] в последующих теоретических расчетах концентрации и
659
6*
Рис. 1. Суточные вариации измеренных (квадратики) и вычисленных (кривые) NmF2 и hmF2 над ионозондами La Paz, Natal, Bombay, Ahmedabade 11-12 октября 1958 г. SLT = UT + у/15, где UT - мировое время и у - географическая широта. Штриховые кривые - модельные расчеты с использованием эмпирической модели Уц [Scherliess and Fejer, 1999], модели NRLMSISE-00 [Picone et al., HWW90 [Hedin et al., 1991] для вычисления компонент скорости нейтрального ветра. Сплошные и штриховые кривые - результаты расчетов NmF2 и hmF2 с корректированными значениями Уц, [O] и компонент скорости нейтрального ветра, которые обсуждаются в разделе 3. Зональная компонента E х B дрейфа учитывается в модельных расчетах, показанных сплошными и штриховыми кривыми, и не учитывается при вычислениях, представленных точечными кривыми.
SLT, ч SLT, ч
Рис. 2. Суточные вариации измеренных (квадратики) и вычисленных (кривые) NmF2 и hmF2 над ионозондами Trivan-drum, Kodaikonal, Tiruchirapalli, Delhi 11-12 октября 1958 г. Обозначения кривых те же, что и на рис. 1.
температуры электронов и ионов ионосферы [Bailey and Balan, 1996; Millward et al., 1996; Pavlov, низких широт вычислялись без учета переноса 2003; Pavlov et al., 2004a,b]). В работе [Pavlov, плазмы зональным E х B дрейфом (см., например, 2006] представлена трехмерная нестационарная
SLT, ч SLT, ч
Рис. 3. Суточные вариации измеренных (квадратики) и вычисленных (кривые) NmF2 и hmF2 над ионозондами Calcutta, Singapore, Maui, Talara 11-12 октября 1958 г. Обозначения кривых те же, что и на рис. 1.
SLT, ч SLT, ч
Рис. 4. Суточные вариации измеренных (квадратики) и вычисленных (кривые) NmF2 и hmF2 над ионозондами Panama, Chiclayo, Huancayo, Bogota 11-12 октября 1958 г. Обозначения кривых те же, что и на рис. 1.
Геомагнитная долгота, град.
Рис. 5. Результаты расчетов максимального отношения МтЕ2 к МтЕ2(Ул = 0) 11-12 октября 1958 г. на геомагнитной широтах 0 (сплошная кривая рис. 5а), -10 (штриховая кривая рис. 5а), -20 (точечная кривая рис. 5а), 10 (сплошная кривая рис. 56), 20° (штриховая кривая рис. 56). На рис. 5в показано отношение ^тЕ2 к МтГ2(¥А = 0) 11 октября 1958 г. над геомагнитным экватором в 20:00 (штриховая кривая) и 24:00 SLT (сплошная кривая).
теоретическая модель концентраций Ne, Nг и температур Te, T электронов и ионов ионосферы и плазмосферы низких и средних широт и впервые показано, что зональная компонента V заметно влияет на Ne при повышенной солнечной активности в геомагнито-спокойных ночных условиях 12-13 апреля 1958 г. В настоящей работе изучается зависимость Ne от зональной компоненты V в низкоширотной ионосфере во время геомагнито-спокойного периода 11-12 октября 1958 г. при высокой солнечной активности с помощью модели [Pavlov, 2006], что позволит оценить достоверность выводов предыдущих исследований. Будет проведено сравнение результатов расчетов hmF2
и NmFl с результатами измерений этих параметров, полученных на станциях ионосферного зондирования ионосферы La Paz, Natal, Bombay, Ahmedabad, Trivandrum, Kodaikonal, Tiruchirapalli, Delhi, Calcutta, Singapore, Maui, Talara, Panama, Chi-clayo, Huancayo, Bogota. Это позволит оценить достоверность модельных расчетов.
2. ТРЕХМЕРНАЯ НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
В расчетах используется трехмерная нестационарная теоретическая модель области F ионосферы и плазмосферы низких и средних широт [Pav-
NmF2/NmF2 (Ул = 0)
SLT, ч SLT, ч
Рис. 6. Суточные вариации отношения NmF2/NmF2(Vл = 0) на геомагнитных широтах -15 (сплошны кривые), 0 (точечные кривые) и 15° (штриховые кривые) на геомагнитных долготах 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315°.]
1 д Ne -! Ne ЭЛ' рад
SLT, ч SLT, ч
Рис. 7. Зависимость N-1^ Ne от SLT на высоте hmF2 на геомагнитных широтах -15 (сплошные кривые), 0 (точечные кривые) и 15° (штриховые кривые) на геомагнитных долготах 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315°.
lov, 2006], которая вычисляет Te, T , Ne и концентрации ионов O+(4S), H+, NO+, O+, N+, O+(2D),
O+(2P), O+(4P), O+(2P*). В модели принимается аппроксимация B полем эксцентричного магнитного диполя с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов Земли и различия между центром вращения Земли и центром геомагнитного диполя с учетом годовых вариаций параметров эксцентричного магнитного диполя [Frazer-Smith, 1987; Деминов и Фищук, 2000]. При вычислении параметров ионосферы и плазмо-сферы используется ортогональная криволинейная диполярная система координат q = (RE/R)2cos 0, U = (RE/R)sin20 и Л, где Л - геомагнитная долгота; q - координата в направлении вдоль B (B = -Beq; eq - единичный вектор в направлении q), U и Л -координаты в перпендикулярных к B направлениях, 0 = 90° - ф, ф - геомагнитная широта; RE - радиус Земли; R - расстояние от местоположения эксцентричного магнитного диполя до рассматриваемой точки. В этой системе координат V = = VAeA + Vueu, где VA = Ец/B, Vu = -Ед/B, E = EAeA + + Eueu, ЕЛ и Eu - Л и U компоненты E, eA и eu -единичные векторы в Л и u направлениях. По определению, компоненты скорости дрейфа Vu =
= hu^ u и VA = НЛ^ Л, где коэффициенты Ламэ dt д t
hu = Ruacos/ и h/,L=Rsin 0; I - магнитное наклонение; cosí = sin0(1 + 3cos20)-1/2. Из этого определения следуют уравнения для описания траектории движения плазмы перпендикулярно магнитному полю:
|-u = vu' re ,
д. T/effn—l д- Л = VfRE,
(1) (2)
д T?eff _ д j^eff _ д T^eff _ д T/eff
dqEj " дqEл = дqVu = дqVл
eff
Выражение (З) показывает, что значения Ел и
зом, дрейф плазмы со скоростью V происходит с одной силовой линии магнитного поля на другую за одно и то же время во всех точках силовой линии магнитного поля, т.е. магнитное поле "вморожено" в ионосферную плазму. Поэтому "вморо-женность" магнитного поля в ионосферную плазму связана с тем, что выше примерно 150 км скорости дрейфа ионов и электронов примерно одинаковы (равны E х B/B2) в перпендикулярном к м
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.