ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 3, с. 340-349
УДК 551.510.535
АНОМАЛЬНЫЕ ВАРИАЦИИ СТРУКТУРЫ ОБЛАСТИ F2 ИОНОСФЕРЫ
СРЕДНИХ ГЕОМАГНИТНЫХ ШИРОТ ЮЖНОГО И СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЙ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ ЛЕТНИХ К ЗИМНИМ УСЛОВИЯМ ПРИ НИЗКОЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ © 2008 г. А. В. Павлов, Н. М. Павлова, С. Ф. Макаренко, В. Н. Шубин
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Троицк (Московская обл.) e-mail: pavlov@izmiran.ru Поступила в редакцию 07.05.2007 г.
После доработки 23.07.2007 г.
Выполнены теоретические расчеты структуры и динамики ионосферы и плазмосферы при низкой солнечной активности в геомагнито-спокойных условиях 15—17 января 1985 г. и 10—13 июля 1986 г. над ст. "Миллстоун-Хилл" и ионозондом "Аргентинские острова", местоположения которых примерно магнитосопряженные. Найденная коррекция входных параметров модели позволяет согласовать измеренные и вычисленные аномальные вариации концентрации NmF2 электронов на высоте hmF2 слоя F2 ионосферы над ионозондом "Аргентинские острова", а также вычисленные и измеренные NmF2 и температуру электронов на высоте hmF2 над ст. "Миллстоун-Хилл". Показано, что колебательно-возбужденные молекулы N2 и O2 практически не влияют на формирование зимней аномалии в условиях низкой солнечной активности. Различие между влиянием электронно-возбужденных ионов O+ на Ne в зимних и летних условиях формирует не более 11% явления зимней аномалии Ne области F2 и внешней ионосферы. Модель без учета электронно-возбужденных ионов O+ уменьшает продолжительность явления зимней аномалии Ne. Показано, что сезонные вариации состава нейтральной атмосферы в основном формируют явление зимней аномалии NmF2 над радаром "Миллстоун-Хилл" в условиях низкой солнечной активности.
PACS: 94.20.dj, 96.60.qd
1. ВВЕДЕНИЕ
Явление зимней аномалии электронной концентрации NmF2 максимума слоя F2 ионосферы заключается в увеличении величины NmF2 при переходе от летних к зимним геомагнито-спокой-ным дневным условиям при одном и том же местном времени и примерно при одинаковом уровне солнечной активности. В работе [Torr and Torr, 1973] были изучены сезонные вариации полуденных месячных значений медиан NmF2 по данным 140 ионозондов за 1958, 1964 и 1969 гг. и найдено, что явление зимней аномалии полуденной медианы NmF2 более ярко выражено в северном полушарии, чем в южном, а область существования исследованной зимней аномалии и ее величина уменьшаются при уменьшении солнечной активности. Механизмы формирования зимней аномалии NmF2 подробно изучены для дневных условий северного полушария средних широт (см. работу [Pavlov and Pavlova, 2005b] и ссылки в ней). В работах [Pavlov and Pavlova, 2005b; Павлов и др., 2007] показано, что в условиях высокой солнечной активности наблюдаемая радаром "Миллсто-ун-Хилл" зимняя аномалия дневных NmF2 при переходе от 3 июня 1979 г. к 6 января 1980 г. вызва-
на сезонными вариациями состава нейтральной атмосферы, сезонными изменениями влияния колебательно-возбужденных молекул N2 и 02 и электронно-возбужденных ионов 0+ на С этими же механизмами связано формирование зимней аномалии концентрации электронов верхней ионосферы при высокой солнечной активности в дневных условиях над радаром "Милл-стоун-Хилл" [Павлов и др., 2007]. Первая цель работы — изучить относительную роль вышеуказанных механизмов формирования зимней аномалии ЫшЕ2 и N верхней ионосферы при низкой солнечной активности и сравнить полученные результаты с выводами [Павлов и др., 2007] для условий высокой солнечной активности. Для решения этой задачи в работе будут выполнены теоретические расчеты параметров ионосферы в сравнении с данными радара "Миллстоун-Хилл" при низкой солнечной активности в геомагнито-спокойных условиях 16 января 1985 г. и 12 июля 1986 г.
Местоположения ионозонда "Аргентинские острова" и радара "Миллстоун-Хилл" — примерно магнитосопряженные. Павлов и др. (2007) показали, что в отличие от северного полушария явление зимней аномалии в не формируется
над ионозондом "Аргентинские острова" при переходе от местных зимних к местным летним условиям (от 3 июня 1979 г. к 6 января 1980 г.) при высокой солнечной активности, а при переходе от дневных к ночным условиям над ионозондом "Аргентинские острова" наблюдается аномальный суточный ход NmF2 5—6 января 1980 г. с максимальным значением NmF2 около 2—3 SLT и минимумом NmF2 около 15—16 SLT, где SLT — солнечное местное время на географической долготе ионозонда (SLT = UT + у/15, UT — мировое время, у — географическая долгота). Вторая цель работы — изучить формирование сезонных вариаций NmF2 при низкой солнечной активности путем сравнения вычисленных значений NmF2 с NmF2, полученными из измерений критических частот слоя F2 ионозондом "Аргентинские острова" в геомагнито-спокойных условиях 16—17 января 1985 г. и 11-12 июля 1986 г.
2. МОДЕЛЬ ИОНОСФЕРЫ И ПЛАЗМОСФЕРЫ
Модель плазмосферно-ионосферного взаимодействия [Pavlov and Pavlova, 2004] учитывает несовпадение географического и геомагнитного полюсов Земли в приближении центричного диполя. Эта модель была модифицирована [Павлов и др., 2007], и расчеты параметров ионосферы и плазмосферы проводятся в приближении эксцентричного диполя для геомагнитного поля B Земли, ось которого наклонена к оси вращения Земли, а параметры эксцентричного диполя зависят от года. В модели вычисляются концентрации N ионов O+(4S), H+, He+, потоки фотоэлектронов, температуры ионов T и электронов Te вдоль силовой линии B от высоты 160 км в северном полушарии до высоты 160 км в южном полушарии. На высотах от 120 до 160 км принимается T = Te = Tn, где Tn — температура нейтральной атмосферы. В каждом полушарии в области высот от 120 до 700 км вдоль силовой линии B вычисляются горизонтальные компоненты скорости нейтрального ветра, концентрации ионов O+(2D), O+(2P), NO+,
O+ , N+ , O+(4P), O+(2P*) и колебательно-возбужденных молекул N2(v) и O2(v) для первых пяти колебательных уровней с учетом их небольцманов-ского распределения, а также колебательные температуры TN^v и TOjv соответственно для N2 и O2.
В расчетах применяются те же, что и в модифицированной модели [Павлов и др., 2007], коэффициенты скоростей процессов с участием N2(v) и O2(v). Концентрации N2(v) и O2(v) используются при вычислении скорости потерь ионов O+(4S) в химических реакциях и скоростей охлаждения тепловых электронов при колебательном возбуждении N2 и O2 электронным ударом. В модели вычисляется [O(1D)] в области высот от 120 до 1500 км
в каждом полушарии, величина которой используется при нахождении [N2(v > 0)]. Измерения высоты hmF2 слоя F2 на ст. "Миллстоун-Хилл" северного полушария используются в модели для определения скорости Vd дрейфа плазмы вдоль B за счет нейтрального ветра с помощью метода [Pavlov and Foster, 2001], и найденная величина Vd считается постоянной на высотах ионосферы северного полушария. Ввиду отсутствия часовых измерений параметра M(3000)F2 для ряда значений UT, в южном полушарии высоты hmF2 получены из измерений параметра M(3000)F2 и критических частот foF2 и foE слоев F2 и E ионозондом "Аргентинские острова" (см. § 3) лишь для ограниченного числа часовых значений UT как 15—17 января 1985 г., так и 10—12 июля 1986 г. Поэтому в южном полушарии величина Vd вычисляется по методу [Pavlov, 1996], в котором рассчитанные значения hmF2 близки к hmF2 международной эмпирической справочной модели IRI, и найденная величина Vd считается постоянной на высотах ионосферы южного полушария. Концентрации нейтральных компонентов и температура нейтральной атмосферы определяются по модели NRLMSISE-00 [Picone et al., 2002], а потоки солнечного излучения — по модели EUV97 [Tobiska and Eparvier, 1998].
Высокие значения Te, измеренные в плазмо-сфере на спутнике "EXOS-D" на силовых линиях B, проходящем вблизи областей F2 ионосферы над ст. "Миллстоун-Хилл" в северном полушарии и над ионозондом "Аргентинские острова" в южном полушарии, подтверждают гипотезу о существовании нерегулярного дополнительного источника Qad нагрева электронов плазмосферы [Pavlov et al., 2000, 2001; Pavlov and Pavlova, 2004; Павлов и др., 2005]. Механизм формирования аномального ночного увеличения NmF2 в зимних условиях ионосферы средних широт при низкой солнечной активности связан с возникновением Qad [Pavlov and Pavlova, 2005a]. Обычно предполагается [Kozyra et al., 1997], что дополнительная нерегулярная скорость нагрева электронов плаз-мосферы, вызывающая высокие значения Te плазмосферы средних широт, возникает при ку-лоновских столкновениях ионов кольцевого тока с электронами и ионами плазмосферы и за счет волнового нагрева электронов плазмосферы. Исследование механизмов формирования дополнительного нагрева плазмосферы выходит за рамки настоящей работы, и величина Qad используется лишь как подгоночный входной параметр модели. Следуя предыдущим расчетам [Pavlov et al., 2000, 2001; Pavlov and Foster, 2001; Pavlov and Pavlova, 2004; Pavlov and Pavlova, 2005a; Павлов и др., 2005; 2007], в уравнении теплового баланса электронов величина Qad не изменяется вдоль силовой линии магнитного поля выше 5000 км в плазмо-
сфере и Qad = 0 ниже 5000 км. Значение Qad и промежуток времени, в течение которого Qad отлична от нуля, находятся из согласования вычисленных и измеренных значений Te на высоте hmF2 15—17 января 1985 г. Дополнительного нагрева плазмо-сферы не требуется (Qad = 0) для согласования вычисленных и измеренных значений Te на высоте hmF2 11-13 июля 1986 г. (см. § 4).
Модельные вычисления параметров ионосферы и плазмосферы начинаются в момент времени t0, который соответствует 12:00 SLT 10 июля 1986 г. и 12:00 SLT 15 января 1985 г. ст. "Миллстоун-Хилл". Предварительно в модели вычисляются стационарные значения N(t0, S), Ne(t0, S), T(t0, S), Te(t0, S), где S — расстояние вдоль силовой линии геомагнитного поля, возрастающее при движении в направлении с северного в южное полушарие, причем S = 0 — на вершине магнитной силовой линии над геомагнитным экватором. Эти стационарные значения используются как начальные условия при расчетах суточных вариаций Ni, Ne, Ti и Te ионо
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.