научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 11 АВГУСТА 1999 ГОДА ВО ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЕ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 11 АВГУСТА 1999 ГОДА ВО ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЕ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 2, с. 114-121

УДК 550.388.2

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 11 АВГУСТА 1999 ГОДА ВО ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЕ

© 2007 г. В. В. Клименко, Ф. С. Бессараб, Ю. Н. Кореньков

Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН,

г. Калининград pcizmiran@gazinter .net Поступила в редакцию 07.02.2005 г.

В работе представлены результаты модельных расчетов таких параметров внешней ионосферы как электронная концентрация Ne температура Te, концентрация n(H+) и потоки вдоль силовых линий геомагнитного поля Ф(Н+) ионов Н+ на высоте ~2000 км для условий солнечного затмения 11.VIII.1999 г. Расчеты выполнены с помощью глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы Земли (ГСМ ТИП). Показано, что во время затмения, наряду с областью пониженных значений Te в северном полушарии и магнитно-сопряженной с ней областью в южном полушарии, в обоих полушариях возникают области нагрева электронов. Одновременно возникает и перемещается за лунной тенью обширная пространственная область пониженных значений Ne. В глобальном распределении концентрации ионов Н+ обнаружены области пониженной до ~30% и повышенной до ~50% концентрации ионов Н+.

PACS: 94.20. Cf

ВВЕДЕНИЕ

Эффекты солнечных затмений в верхней атмосфере Земли исследуются как экспериментальными, так и теоретическими методами на протяжении нескольких десятилетий. Наиболее обширные экспериментальные исследования вариаций электронной концентрации в ионосфере во время солнечного затмения выполнены с помощью ионозондов, применение которых для изучения этого эффекта продолжается и в настоящее время [1-3]. С развитием метода использования радиомаяков и навигационных спутников системы GPS для наблюдения временных вариаций полного электронного содержания база экспериментальных данных об эффектах солнечного затмения в ионосфере существенно расширилась [4, 5]. Наиболее полную информацию об изменениях ряда параметров нейтральной атмосферы и ионосферной плазмы во время затмения предоставляют установки некогерентного рассеяния. Однако такие эксперименты являются уникальными по причине небольшого количества самих установок и необходимости пространственного совпадения лунной тени и аппаратуры [6-8].

Одновременно с накоплением экспериментального материала о солнечном затмении в ионосфере выполнялись и теоретические исследования. На ранних стадиях развития ионосферного моделирования это были простые одномерные модели ионосферы [9, 10]. Появление более полных глобальных самосогласованных моделей открыло возможности для комплексного теоре-

тического изучения пространственно-временных вариаций параметров верхней атмосферы во время солнечного затмения [11-14]. Несмотря на столь обширные исследования эффектов солнечного затмения в земной атмосфере, не все процессы достаточно изучены и поняты, и требуют своего теоретического описания. Во всех вышеупомянутых работах основное внимание уделялось изучению временного поведения ионосферных параметров на высотах ниже 500 км, что связано с высотными ограничениями как экспериментальных методов, так и теоретических моделей, используемых для интерпретации полученных данных.

Цель настоящего исследования заключается в изучении глобальной картины реакции внешней ионосферы (~2000 км) на полное солнечное затмение 11.VIII.1999 г. с помощью глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы Земли, в которой учтены все наиболее важные физико-химические процессы, происходящие в околоземной плазме в исследуемом диапазоне высот.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Солнечное затмение11^ШЛ999 г. началось в 09.32 ит вблизи точки с координатами (41° К, 65° Лунная тень находилась в 10.10 ИТ в юго-западной части Англии, прошла через центральную Францию в 10.20 ИТ и далее через Германию, Австрию, Венгрию, Румынию и Турцию. Закончилось

затмение в районе Бенгальского залива (20° К, 77° Е) в 12.34 ЦТ.

Солнечная активность в рассматриваемый период характеризовалась умеренными величинами ^107 ~130. Наблюдаемые индексы 2,Кр на период l0-12.VIII.1999 г. составляли 9, 12 и 15, соответственно, так что день солнечного затмения характеризовался спокойными геомагнитными условиями.

Реакция верхней атмосферы на солнечное затмение исследовалась с помощью глобальной самосогласованной модели термосферы-ионосферы-протоносферы (ГСМ ТИП). Модель основана на численном интегрировании системы квазигидродинамических уравнений для многокомпонентной околоземной плазмы в области высот от 80 км до 15 земных радиусов и состоит из трех основных блоков: термосферного, ионосферно-протоносферно-го и блока расчета электрических полей, между которыми осуществляется обмен информацией. Более подробное описание модели приведено в [15-17]. Основная система моделирующих уравнений приведена также в работе [18].

Для расчетов, моделирующих систему термосфера-ионосфера-магнитосфера, в ГСМ ТИП необходимо задать: потоки солнечного УФ и КУФ излучения; потоки электронных высыпаний и их пространственные и энергетические характеристики; значения продольных токов, соединяющих магнитосферу с ионосферой. Все эти входные параметры, а также граничные условия были выбраны аналогично работе [14].

Модель неоднократно использовалась для расчета глобальных распределений параметров верхней атмосферы и ионосферы, а результаты расчетов сопоставлялись с данными спутниковых наблюдений [18, 19] и с данными измерений установок некогерентного рассеяния [19, 20].

Затмение моделировалось путем умножения потоков солнечного ультрафиолетового излучения, которые являются входными параметрами модели, на коэффициент затмения АГ(ЦТ, ф, X), где ЦТ - мировое время, ф и X - географические широта и долгота, соответственно. В области полной тени значение АГ(ЦТ, ф, X) равно нулю и возрастает, в первом приближении линейно, до единицы с шагом 3% на каждые 100 км удаления от центра тени [13]: ДЦТ, ф, X) = 0.03р(ф, X, ф0, Х0)/100, где р(ф, X, ф0, X0) - расстояние в километрах от центра тени, который в момент ЦТ имеет координаты ф0, X)). Значения ф0, X0 (X для рассматриваемого затмения) хорошо известны и легко доступны, в том числе через мировую сеть Интернет.

Для исследования реакции верхней атмосферы на затмение были выполнены два варианта расчетов для 11.VIII.1999 г., когда затмение было, и для этого же дня, в предположении отсутствия затмения. Таким образом, были получены два набора

Широта, 90 60 30 0 -30 60 90

--в—. _|_

град 10.30

.....

""•"Г.................Г—"" I_

90 60 30 0 30 60 90

90 60 30 0 30 60 90

11.00

..в"

Т--.....I.....I_

11.30

—О I |

" 1—

< < ' 1

у! 1

30 60 90 120 150180

12.00

..............

чЬозШЪи::

''¡'А1 ' го' ' 1 1

..................."'

_I_I_I_I_а;_I

12.30

.......зг-^ч...

_I_I_I '.-"--У--""' I

13.00 ит

" " " " " - -¿й. - '" ......................

_|_I_I_I_I_I

30 60 90 120150180 Долгота, град

Рис. 1. Сплошными, штриховыми и пунктирными кривыми показаны, соответственно, изолинии положительных, отрицательных и нулевых отклонений электронной температуры.

параметров верхней атмосферы для анализа абсолютных и относительных эффектов затмения.

Для проверки адекватности модельных расчетов ионосферы и термосферы во время затмения были сделаны сопоставления параметров Е2-об-ласти ионосферы для ряда станций Европейского региона, находившихся в зоне затмения [14, 21], а также по интегральному содержанию электронов [22] над Европой. Эти исследования показали, что модель в целом адекватно воспроизводит эффекты затмения в ионосфере и термосфере.

В данной работе основное внимание уделено исследованию эффектов затмения в верхней ионосфере, то есть на высотах >1000 км над поверхностью Земли.

ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ

Результаты расчетов ионосферных параметров представлены на рис. 1-6. Глобальные распределения электронной температуры Те, электронной концентрации Ые, концентрации ионов Н+ и потоков ионов Н+ вдоль силовых линий геомагнитного поля представлены в геомагнитных координатах для различных моментов времени ЦТ на высоте 2000 км (рис. 1-4). Штриховой лини-

ей показана траектория области максимума солнечного затмения. Заштрихованным кружком показано местоположение лунной тени в выбранный момент времени.

Рис. 1 представляет изолинии разностного поля электронной температуры, рассчитанного как разность значений Те во время затмения и в спокойных условиях для различных моментов мирового времени с 10.30 до 13.00 ИТ с получасовым интервалом для Евро-Азиатского региона. Видно, что в 10.30 ИТ, когда солнечное затмение начинает наблюдаться в Европейском секторе, минимальное значение АТе составляет около -500 К, а его пространственное положение совпадает с областью максимума солнечного затмения. Понижение электронной температуры охватывает значительную пространственную область ~100° в долготном направлении и ~80° в широтном. В магнитно-сопряженной области южного полушария эффект падения электронной температуры не столь велик и составляет -200 К. Следует отметить, что в этот момент времени отсутствует пространственная область с повышенными значениями Те. Через час, в 11.30 ИТ, по мере приближения тени солнечного затмения к экватору, происходит сближение областей понижения Те в северном и южном полушариях. Видно, что в северном полушарии величина эффекта уменьшается, а в южном, наоборот, возрастает. Одновременно возникает небольшая пространственная область повы-

10.30

I- ' и, ч.

Широта, град 90 60 30 0 -30 60 90

90 60 30 0 -30 60 90

12.00

'•-0.....

5 '"'"--е-, 0

"Г............^

11.00

12.30

-Де-'

'--Ж

_|_I_|_

0

_|_I

.де-

-о----ш.,

- - " _.аг

■в:

_1_

■'й "Г--- I

_1_I

90 60 30 0 -30 60 90

11.30

С

—А^ч ----Ллв'

В|_

13.00 ит

0

^ м '

00 _|_I_I_I_I

30 60 90 120 150180 30 60 90 120 150180

Долгота, град

Рис. 2

шения электронной температуры, расположенная западнее (30° N 60° Е) области понижения Те, что свидетельствует о значительном запаздывании эффекта роста электронной температуры относительно времени прохождения максимума затмения.

К моменту

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