ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 4, с. 518-527
УДК 551.510:621.371
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОШИРОТНОГО ИОНОСФЕРНОГО СЛОЯ F И ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕРЕЗ НЕГО КОРОТКИХ РАДИОВОЛН В МЕРИДИОНАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ
© 2007 г. М. Ю. Андреев, Г. И. Мингалева, В. С. Мингалев
Полярный геофизический институт, Кольский научный центр РАН, Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: mingalev@pgi.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 1.03.2006 г. После доработки 26.06.2006 г.
Разработанная ранее математическая модель высокоширотной ионосферы используется для расчета распределений ионосферных параметров в полярной области. При этом применяется специфический способ задания управляющих параметров математической модели, использующий экспериментальные данные, полученные методом спутниковой радиотомографии. Рассчитанные по математической модели пространственные распределения ионосферных параметров, которые имеют сложную неоднородную структуру в высокоширотной области, используются для моделирования распространения коротких радиоволн вдоль меридионально ориентированных высокоширотных радиотрасс, начинающихся в средних, а оканчивающихся в высоких широтах. Предлагается способ улучшения коротковолновой связи между расположенным в средних широтах передатчиком и находящимся полярной шапке приемником.
PACS: 94.20.Ac; 94.20.Bb
1. ВВЕДЕНИЕ
Для осуществления дальней радиосвязи и заго-ризонтной радиолокации широко применяются короткие волны (КВ) [Гуревич и Цедилина, 1979; Алебастров и др., 1984]. Однако в тех случаях, когда радиотрассы хотя бы частично проходят через высокоширотную ионосферу, осуществление КВ-связи нередко сопряжено с трудностями, обычно отсутствующими на среднеширотных радиотрассах. Эти трудности обусловлены спецификой поведения высокоширотной ионосферы, которая подвержена внешним воздействиям, берущим свое начало в магнитосфере и солнечном ветре, в значительно большей степени, чем сред-неширотная ионосфера [Дэвис, 1973; Благовещенский и Жеребцов, 1987]. Пространственные неоднородности и частые возмущения, присущие полярной ионосфере, могут значительно затруднить КВ-радиосвязь между расположенными в средних широтах передатчиками и находящимися в высоких широтах морскими и воздушными судами, потребность в бесперебойности которой диктуется не только гражданскими, но и оборонными задачами.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния неоднородной структуры высокоширотной ионосферы на прохождение КВ вдоль радиотрасс, начинающихся вблизи Москвы, вытянутых вдоль проходящего через нее геомагнитного ме-
ридиана и оканчивающихся в разных точках высокоширотной области северного полушария. Исследование проводится при помощи метода математического моделирования, причем используемая в расчетах прохождения КВ электронная концентрация сама рассчитывается по математической модели ионосферы. Для используемой математической модели ионосферы применяется специфический способ задания ее управляющих параметров, который основан на привлечении экспериментальных данных, полученных методов спутниковой радиотомографии. Описываются результаты расчетов распределений параметров ионосферного слоя ^ в высоких широтах, полученные с использованием этого способа задания управляющих параметров математической модели, а также результаты расчетов прохождения коротких радиоволн через неоднородную высокоширотную ионосферу в меридиональном направлении. Предлагается способ улучшения КВ-связи между расположенным в средних широтах передатчиком и находящимся вблизи Магнитного полюса приемником.
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ
В настоящей работе мы используем математическую модель высокоширотной ^-области, которая была описана в работе [Мингалева и Мин-
галев, 1998]. Модель позволяет прослеживать за состоянием ионосферной плазмы, заключенной в части магнитной силовой трубки, перемещающейся над высокоширотной областью под действием электрического поля конвекции. Модель основана на использовании идеи Кнудсена [КлЫ-8еп, 1974], позволяющей пространственно трехмерную структуру слоя F высокоширотной ионосферы рассчитывать при помощи решения всего лишь пространственно одномерных нестационарных уравнений переноса ионосферной плазмы, если при этом учитывать некоторые важные свойства горизонтальных движений ионосферной плазмы. Плодотворность этой идеи была впервые подтверждена численным моделированием в работе [Кп^8еп е! а1., 1977], а в последующем неоднократно демонстрировалась в работах по моделированию пространственной структуры высокоширотной ионосферы.
В применяемой в настоящей работе модели, согласно [Кп^8еп, 1974], считается, что часть магнитной силовой трубки, лежащая в пределах расстояний от земной поверхности 100-700 км, перемещается над поверхностью Земли вдоль некоторых траекторий (траекторий конвекции), определяемых электрическим полем. Из-за сильной замагниченности ионосферной плазмы и "вморо-женности" в нее магнитного поля ее перемещение на высотах слоя F можно считать складывающимся из двух движений: довольно свободного перемещения вдоль силовых линий геомагнитного поля и весьма ограниченного в поперечном к магнитному полю направлении движения, являющегося фактически дрейфом, определяемым внешним электрическим полем. Поэтому движение ионосферной плазмы в слое F можно наглядно представить как суперпозицию продольного перемещения плазмы в магнитных силовых трубках с непроницаемыми боковыми стенками и движения самих магнитных силовых трубок в поперечном направлении вдоль траекторий конвекции со скоростью, совпадающей со скоростью дрейфа [Кп^8еп, 1974]. Траектории конвекции при стационарном электрическом поле, как известно, являются замкнутыми, и при двухвихревой конвекции, когда межпланетное магнитное поле (ММП) направлено к югу, над полярной шапкой ионосферная плазма движется в антисолнечном направлении.
Продольное движение ионосферной плазмы внутри выделенной магнитной силовой трубки мы описываем уравнениями переноса, записанными в подвижной системе координат, начало которой перемещается по земной поверхности с такой скоростью, что ее поперечная к магнитному полю проекция совпадает со скоростью дрейфа плазмы в F2-слое ионосферы. Поэтому в подвижной системе координат, ось h которой направлена вдоль магнитной силовой линии, поперечные дви-
жения плазмы отсутствуют, что значительно упрощает вид решаемых уравнений переноса. Эти уравнения включают в себя уравнение неразрывности, движения и теплопроводности положительных ионов, а также уравнение теплопроводности электронов. Эти уравнения имеют следующий вид:
1М-' NV) = *
. + ^ - I,
(1)
(!+ V Ш-У-(, $ + £.«(Г, + г.)]
+ — ,
3
Щ8ШI = ( ип - V),
(2)
дг = и-а - +
д г Мд h ( г д h ) ' д h у-_1 г дN + vдN| г +1' 3 '
+ ' N ( д г + V д h )Гг ' М
Рге + X Рг>
(3)
п =1 /
дГ. = 1 А.(хдЦ - vд-L + № + V г +
дг МдhVе дh) дh N ^ eдh)Т
(4)
+--1---
М
Рег + X Реп + 2ф + Qe + Qp - К - К - К - Ь
где N - концентрация положительных ионов (ионов 0+), которая в силу квазинейтральности плазмы равна электронной концентрации N.; V -продольная составляющая скорости положительных ионов; Тг и Те - температура ионов и электронов, соответственно; т, - масса иона; к - постоянная Больцмана; g - модуль ускорения силы тяжести; I - угол наклона магнитного поля; М = 3/2кЛ^; у = 5/3; ц - коэффициент вязкости ионов; Х, и Хе -коэффициенты теплопроводности ионов и электронов в продольном направлении; V. - продольная составляющая скорости тепловых электронов; q(p - скорость фотоионизации; qе и qp - скорости ударной ионизации высыпающимися электронами и протонами; I - скорость рекомбинации ионов
(учитывающая реакции 0+ + 02 —- 0+ + О, 0+ +
+ N — N0+ + К, 02 + е — 0 + 0, N0+ + е — —► N + 0); 1/тгп - частота столкновений между ионами и нейтральными частицами сорта п; ип -продольная составляющая скорости нейтральных частиц; Рар - скорость притока тепла к компоненте а вследствие упругих столкновений с частицами сорта в; Q(, Qе и <2р - скорость притока тепла к электронному газу за счет фотоионизации, ударной ионизации высыпающимися электронами и ударной ионизации высыпающимися протонами,
п=1
соответственно; Ьг, Ьг и Lf- скорости охлаждения электронного газа за счет неупругих столкновений тепловых электронов с нейтральными частицами, которые приводят к вращательному возбуждению молекул 02 и К2, к колебательному возбуждению молекул 02 и К2, к электронному возбуждению уровня атомов О и к возбуждению уровней тонкой структуры атомов О соответственно.
Выражения входящих в систему (1)-(4) задаваемых величин были приведены в работе [Минга-лева и Мингалев, 1998], в которой также можно найти описание других деталей математической модели. Результатом решения системы уравнений (1)-(4) являются зависящие от времени (или расстояния вдоль траектории конвекции) профили Ы, V, Т и Те вдоль магнитной силовой линии в пределах расстояний от Земли 100-700 км.
Получение пространственно трехмерных распределений отыскиваемых параметров в высокоширотной области сводится к следующей процедуре. Сначала по внешнему электрическому полю, которое мы предполагаем независящим от времени и которое задается не только в полярных, но и на субавроральных широтах, отыскивается некоторое множество замкнутых траекторий конвекции, покрывающих основание высокоширотной области с достаточной густотой. Затем вдоль каждой траектории конвекции отыскивается решение системы уравнений переноса (1)-(4) в пределах расстояний от земной поверхности 100 < < к < 700 км. По найденным таким образом двумерным распределениям искомых параметров вдоль всех замкнутых траекторий конвекции строится пространственно трехмерное распределение отыскиваемых величин путем интерполяции их значений между теми точками рассматриваемой трехмерной области, в которых численные решения получены.
3. ЗАДАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ
Для расчета распределения ионосферных параметров мы решили использовать сочетание управляющих параметров математической модели, найденных с привлечением экспериментальных данных, полученных методом спутниковой радиотомографии. Суть используемого способа за
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.