научная статья по теме ПРИЧИНЫ ДОЛГОТНЫХ ВАРИАЦИЙ NMF2 НА СРЕДНИХ И СУБАВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ В ЛЕТНИХ НОЧНЫХ УСЛОВИЯХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРИЧИНЫ ДОЛГОТНЫХ ВАРИАЦИЙ NMF2 НА СРЕДНИХ И СУБАВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ В ЛЕТНИХ НОЧНЫХ УСЛОВИЯХ»

УДК 550.388.2

ПРИЧИНЫ ДОЛГОТНЫХ ВАРИАЦИЙ NmF2 НА СРЕДНИХ И СУБАВРОРАЛЬНЫХ ШИРОТАХ В ЛЕТНИХ НОЧНЫХ УСЛОВИЯХ

© 2010 г. А. Т. Карпачев, Н. А. Гасилов, О. А. Карпачев

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,

Троицк (Московская обл.) e-mail: karp@izmiran.rssi.ru Поступила в редакцию 07.12.2009 г.

Исследованы основные факторы, контролирующие долготные вариации NmF2 в области средних и субавроральных широт. Для анализа привлечены данные внешнего зондирования на ИСЗ "Интер-космос-19", полученные при высокой солнечной активности для летних ночных условий. На основе ионосферных моделей сделаны оценки вклада солнечной ионизации, нейтрального ветра, температуры и состава термосферы в долготные вариации NmF2. Показано, что в неосвещенной сред-неширотной ионосфере вариации NmF2 определяются в основном остаточной концентрацией электронов и ее распадом под действием рекомбинации. На субавроральных широтах ночью в летних условиях ионосфера частично освещена и основной вклад в долготные вариации NmF2 вносит ионизация солнечным излучением, влияние нейтрального ветра несколько меньше. Эти результаты показывают также, как изменяется вклад разных факторов в долготные вариации NmF2 с изменением широты.

1. ВВЕДЕНИЕ

ИСЗ "Интеркосмос-19" (ИК-19) до сих пор является единственным спутником, который позволяет получить глобальное распределение параметров максимума слоя F2. Поэтому устойчивые вариации этих параметров с долготой впервые были выделены по данным ИК-19. Оказалось, что высота среднеширотного F2 слоя hmF2 может изменяться с долготой более чем на 150 км, а NmF2 в минимуме главного ионосферного провала — на порядок величины [Карпачев, 1987]. Естественно встал вопрос о причинах столь сильных вариаций параметров ионосферы с долготой. Было предпринято несколько попыток анализа долготного эффекта (ДЭ) в ночной и дневной, зимней и летней ионосфере с использованием аналитических моделей ионосферы [Деминов и Карпачев, 1988; Коченова и Шубин, 1995; Карпачев и Гасилов, 1998; Karpachev and Gasilov, 2001]. Они показали, что ДЭ определяется, в основном, эффектом нейтрального ветра и долготными вариациями параметров термосферы. Однако долгое время анализ ДЭ основывался на ограниченном массиве данных ИК-19 для околополуночных и околополуденных условий и проводился только для фиксированных географических широт в интервале 40— 50°. В недавней работе [Karpachev and Gasilov, 2006] анализ долготных вариаций hmF2 был расширен на всю полосу средних широт, вплоть до субавроральных, и проводился в геомагнитной системе координат, поскольку изображения ДЭ в географической и геомагнитной системе координат довольно сильно различаются. В последнее

время был обработан огромный массив данных спутника ИК-19 для высокой солнечной активности, что позволяет провести анализ ДЭ практически для любых условий, т.е. всех часов местного времени, сезонов и всех широт северного и южного полушарий. Таким образом, становится возможным исследование ДЭ в наиболее полном объеме. В настоящей работе проведен анализ долготных вариаций/оТ2 на средних и в высоких широтах южного полушария для летних ночных условий. Рассмотрены вариации /оТ2, поскольку мы ранее анализировали только вариации НмТ2. Летние ночные условия выбраны по той причине, что летом даже ночью ионосфера высоких широт частично освещена Солнцем, поэтому задача усложняется и приходится учитывать еще одну причину ДЭ — солнечную ионизацию. Наконец, в южном полушарии амплитуда ДЭ больше, а характер ДЭ проще, чем в северном, что несколько облегчает задачу и делает ее решение более наглядным. Главная цель настоящей работы — определить основные причины долготных вариаций /оТ2 и оценить вклад каждой из них. Разработанная в этой статье методика послужит основанием для дальнейших исследований.

2. ДОЛГОТНЫЕ ВАРИАЦИИ ШТ2 НА ШИРОТЕ 40° ПАТ

Проанализируем, из чего складываются долготные вариации ИмТ2 в среднеширотной ночной летней ионосфере, и оценим вклад каждого из факторов. Для этого рассмотрим вариации ИмТ2 на фиксированной инвариантной широте

N см-

2Е+006

3 Южное полушарие, 40° 1ЬАТ, 23 ЕТ

к, км

420 г 1Е+006

400 - 8Е+005 6Е+005

380 -

360 - 4Е+005

340 -

[О], см-3 9.2Е+008 9.0Е+008 8.8Е+008 8.6Е+008

Ж, м/с 40

20

0

см-4Е+008

Ч3Е+008

Ф, град. -60

—50

—40

-30

90 180 270 Долгота, град.

360

Рис. 1. Долготные вариации на широте 40° ПАТ южного полушария для летних ночных условий (23 ЕГ) следующих параметров (сверху вниз): ЫтГ2 для захода Солнца (N0), Ыт и кт для 23 КГ, концентрации [N2] и [О] по модели М575, географической широты ф, скорости вертикального дрейфа плазмы Ж, рассчитанного из Ыт (сплошная кривая) и кт (штриховая кривая).

3

0

40° 1ЬАТ в южном полушарии, где ночная концентрация изменяется с долготой в 3—4 раза — рис. 1. Долготные вариации NmF2 на рис.1 были выделены усреднением данных около 100 пролетов ИК-19 в секторе местного времени ~23 КГ. Данные ИК-19 были получены в период 13—27 декабря 1979 г. и относятся к спокойным (Кр < 3) условиям высокой солнечной активности (/10.7 ~ 190).

В дневных условиях характерное время рекомбинации на высотах слоя Е2 составляет 1—1.5 ч [Иванов-Холодный и Михайлов, 1980], поэтому ЫтЕ2 быстро отслеживает вариации скорости вертикального дрейфа плазмы, вызванного нейтральным ветром. В ночных условиях время рекомбинации возрастает до нескольких часов [Кринберг и Тащилин, 1984], и зависимость ЫтП (в дальнейшем для краткости Ыт) от величины вертикального дрейфа Ж приобретает интегральный характер. В модели [Бенькова и др., 1986] она выражена в виде следующего соотношения

Мт(>) = ^ехр,

>0

где ?0 — время захода Солнца,

т = 104уехр(7 х 10-4yW),

(1)

гт-Иг™// • 2 ТО 1/^1к/(к + 1)

У = [ 10 [О]/(81П /р')] ,

к = 1.875, р — коэффициент рекомбинации, I — наклонение магнитного поля. Нулевой индекс относится ко времени захода Солнца ?0. Зная величину электронной концентрации N,„(0 в момент наблюдения ?, и N на заходе Солнца, можно определить среднее значение скорости вертикального дрейфа Ж Значения N также были получены по данным ИК-19 и приведены на рис.1. На фиксированной инвариантной широте время захода меняется с долготой согласно изменениям географической широты ф, которые также приведены на рис.1. Для рассматриваемых условий значение зенитного угла Солнца х = 95°, при котором солнечная ионизация практически прекращается и наступает ночь, достигалось в 19.3 КГ на долготе 104° Е и в 21.5 ЕГ на долготе 300° Е. Следовательно, длительность интервала интегрирования А? = ? — ?0 составляет 3.7 ч и 1.5 ч для этих долгот соответственно. Итак, вариации NmF2 в момент наблюдения 23 ЕГ, определяются исходной концентрацией которая распадается под действием рекомбинации и поддерживается вертикальным дрейфом, направленным вверх, в течение времени А?. Отметим, что вклад плазмосфер-ного потока в N летом составляет ~2.0 х 104 см-3

[Кринберг и Тащилин, 1984], что не превышает 2.5% от средней величины ИмЕ2. Скорость рекомбинации можно приближенно оценить соотношением [О]/[Ы2]. Вариации [О] и [N1, взятые по модели [Неёт, 1991] на высоте максимума слоя Е2, приведены на рис. 1 (значения кмЕ2 также были получены по измерениям на ИК-19). Как видно из рис. 1, отношение [О]/[Ы2] слабо изменяется с долготой, следовательно, вклад процесса рекомбинации в долготные вариации МмЕ2 зависит, в основном, от изменений периода времени А? с долготой. Вариации V, рассчитанные по формуле (1), приведены на рис. 1. Там же для сравнения приведены вариации V, полученные из вариаций кмЕ2 для тех же самых условий [Каг-раеИеу апё Оа8Поу, 2006]. Как видно из сравнения, они не сильно различаются. Это не удивительно, поскольку промежуток времени А?, особенно на долготе 300°, не очень большой и, как показывает модель ИШЫ [Неёт е! а1., 1991], в этот период и меридиональная, и зональная компоненты ветра изменяются слабо. На долготе ~60° скорость вертикального дрейфа V ~ 0, поэтому изменения МмЕ2 здесь практически целиком определяются рекомбинацией. Как видно из рис.1, за А? ~3.5 ч электронная концентрация в максимуме слоя Е2 на долготе 60° уменьшилась с 1.8 х 106 до 0.5 х 106 см-3, т.е. более чем в три раза. Расчеты показывают, что на долготе 300° за А? ~ 1.5 ч концентрация МмЕ2 уменьшилась в результате рекомбинации с 1.2 х х 106 до 0.8 х 106 см-3, т.е. в 1.5 раза, но это уменьшение было практически скомпенсировано действием вертикального дрейфа, направленного вверх со скоростью ~40 м/с. В результате этих процессов, амплитуда ДЭ (Ишах/ИШп) увеличилась с ~1.7 до ~3.3 , при этом вклад рекомбинации в долготные вариации ИмЕ2 гораздо больше, чем вклад нейтрального ветра. Напомним, что долготные вариации кмЕ2, наоборот, определяются, в основном, нейтральным ветром, при этом меридиональная компонента вносит больший вклад, чем зональная [КаграеИеу апё ОазПоу, 2006].

3. ДОЛГОТНЫЕ ВАРИАЦИИ ШЕ2 НА ШИРОТЕ 65° 1ЬАТ

Электронная концентрация на субавроральных широтах определяется несколькими причинами: солнечным излучением, нейтральным ветром, составом и температурой нейтральной атмосферы, высыпаниями авроральных частиц и электромагнитным дрейфом [Е х В]. Однако поскольку нас интересуют только вариации электронной концентрации с долготой, т.е. относительные изменения, задача значительно упрощается.

Известно, что в летних условиях полярная стенка провала, которая определяется высыпаниями авроральных частиц, начинает выделяться только в минимуме фоновой концентрации (~105 см-3). В

южном полушарии это долготы 30—60°. На этих долготах магнитуда геомагнитного поля В0 минимальна, а поток высыпающихся частиц, который пропорционален 1/В0, максимален. На остальных долготах фоновая концентрация выше, а поток частиц еще меньше, поэтому вкладом долготных вариаций потока частиц в долготные вариации NmF2 в первом приближении можно пренебречь. Зональное электрическое поле по данным радара Чатаника (68° ILAT) для рассматриваемых условий направлено на запад и составляет по величине 2—3 мВ/м [Ahn et al., 1999]. Вертикальный дрейф плазмы, вызванный действием этого поля,

W = cos I ■ [ E х

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