ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 355-364
УДК 550.388.2
РЕГИСТРАЦИЯ ПЛАЗМЕННЫХ "ПУЗЫРЕЙ" НА ВЫСОТАХ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ: ЧИСЛЕННЫЕ ОЦЕНКИ
© 2014 г. Л. Н. Сидорова, С. В. Филиппов
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Москва, г. Троицк e-mail: lsid@izmiran.ru Поступила в редакцию 20.12.2012 г.
После доработки 28.10.2013 г.
Исследован вопрос о возможности регистрации плазменного "пузыря" на высотах верхней ионосферы по его малой составляющей Не+. Для этого рассчитаны и сравнены между собой характерные времена основных аэрономических и электродинамических процессов, в которые вовлечен сам "пузырь" и его ионная компонента Не+. Рассмотрены процессы рекомбинации ионов гелия в "пузыре", вертикального переноса плазменного "пузыря" как единого целого, процессы диффузионных переносов малой составляющей Не+ плазменного состава "пузыря". При оценке диффузионного переноса выполнен расчет характерного времени амбиполярной и поперечной (диффузия Бо-ма) диффузии. Получена оценка влияния процессов фотоионизации на диссипацию плазменного "пузыря" по его ионной компоненте Не+. Показано, что характерное время заполнения "пузыря", средне "истощенного" в ионах Не+, до концентраций Не+ окружающей среды составляет ~24 ч. Сделан вывод о том, что столь продолжительное время жизни "пузыря" позволяет гарантированно регистрировать плазменный "пузырь" около двух суток. Однако отмечено, что при более длительных наблюдениях будет регистрироваться, по всей видимости, уже лишь остаточная структура плазменного "пузыря", т.е. его след, "видимый" в ионах Не+.
DOI: 10.7868/S001679401403016X
1. ВВЕДЕНИЕ
О возможности подъема плазменных "пузырей" (ПП) на высоты верхней ионосферы сообщалось неоднократно (см., например, [Woodman and La Hoz, 1976; Tsunoda et al., 1982]). Однако до сих пор не существует единого мнения о "потолке" подъема. Одни исследователи полагают, что статистический "потолок" находится на ~2000 км (см., например, [Su et al., 2006]), и это подкрепляется результатами численного моделирования [Huba et al., 2008]. Другие исследователи обнаруживают ПП намного выше — на высотах 2500 км [Sahai et al., 1994] и 3500 км [Burke et al., 1979]. Согласно Burke et al. [1979] факт большого разброса предельных высот наблюдений напрямую связан с вариабельностью условий наблюдений. В первую очередь это связывают с местным временем (LT) наблюдения. Считается, что в дополу-ночные часы ПП может достичь предельной высоты в 2000 км, а уже после полуночи может подняться выше — вплоть до 3000 км [Burke et al., 1979]. Имеются указания, что определенные условия, связанные с уровнем солнечной активности, сезоном и долготой, благоприятствуют развитию и подъему ПП [Gentile et al., 2006; McClureet al., 1998].
По мере подъема на высоты верхней ионосферы ПП меняет свои геометрические размеры: он растягивается вдоль магнитной силовой трубки и приобретает "бананообразный" вид [Abdu et al., 2000]. Вершина ПП, растянутого вдоль магнитных силовых линий, находится над экватором на максимальной высоте подъема, а концы "банана" опускаются по силовым линиям до более низких высот. В таком виде ПП, окруженный "облаком" более мелкомасштабных неоднородностей, может быть зарегистрирован не только над экватором, но и над низкими и частью средних широт. Последнее означает, что вершина такого образования может находиться довольно высоко — в интервале 1500—4000 км. Однако над экватором выше 3500 км никто из наблюдателей ПП не отмечает. Хотя "концы" таких ПП, опускающиеся вниз по силовым трубкам, регистрируются довольно хорошо [Su et al., 2006]. Вопрос: почему затруднена регистрация вершин ПП? Возможный ответ: ПП трудно увидеть, если пытаться измерять его электронную компоненту Ne, поскольку фоновая электронная концентрация на высотах верхней ионосферы становится сравнимой по величине с электронной концентрацией внутри ПП.
Ряд исследователей [Ott, 1978; Ossakov and Chaturvedi, 1978] считают, что равенство внешней
и внутренней плазменных концентраций (например, Ne) означает, что ПП прекращает подъем и вскоре исчезает. Согласно другому мнению [Men-dillo et al., 2005] для существования ПП необходим дисбаланс суммарной плотности плазмы силовой трубки, содержащей ПП, и внешней среды. Если следовать второй точке зрения, то для того, чтобы обнаружить ПП, нужно рассматривать его отдельные ионные составляющие. В работах [Si-dorova, 2007; Сидорова, 2008] при исследовании субпровалов в концентрации He+ была выдвинута идея о том, что регистрация ПП возможна по отдельным ионным компонентам, например, ионам He+ (гипотеза об экваториальном происхождении субпровалов в концентрации He+), которые находятся в дисбалансе с подобными ионами силовых трубок, "невозмущенных" плазменными "пузырями". Исследования ряда характеристик субпровалов (сезонных, суточных, широтных и долготных) эту идею подтверждают [Sidorova, 2007, 2008; Сидорова, 2008; Sidorova and Filippov, 2012]. Так, например, было показано [Sidorova and Filippov, 2012; Сидорова и Филиппов, 2013], что с учетом поправки на сезонные и долготные особенности разных полушарий имеется прекрасное подобие долготной статистики субпровалов и экваториальных ионосферных неоднородностей /-области (EFI), в том числе и ПП — крупномасштабных разновидностей EFI.
Согласно выдвинутой идее [Sidorova, 2007, 2008; Сидорова, 2008] ПП "виден" в ионах He+, поскольку окружающая фоновая концентрация He+ на высотах верхней ионосферы и протоно-сферы существенно возрастает и достигает своих максимальных значений (становится одной из доминант плазмы), что дает резкий контраст с концентрацией He+ внутри ПП. Иными словами, ПП, достигающие высот верхней ионосферы, становятся плохо различимыми в электронной концентрации Ne или в доминирующей ионной компоненте "пузыря" — О+, однако хорошо "видны" по их минорным ионным компонентам (например, в ионах He+). (Минорной эта компонента была на высоте образования ПП.) Так например, известно, что в годы повышенной солнечной активности (1978—1981 гг.) экваториальные ПП регистрировались по пониженной концентрации Ne на высотах верхней ионосферы только в 3% случаев (46 случаев на 1700 пролетах спутника ISS-b) [Maryama and Matuura, 1980]. Однако если их регистрировать на этих же высотах в ионной компоненте He+ (субпровалы в концентрации He+), то они хорошо "заметны" и наблюдаются в 11% случаев (440 случаев на ~4000 пролетах ISS-b) [Sidorova, 2007].
Постановка проблемы. ПП, достигшие своих максимальных высот, часто называют "неживыми" ("dead bubbles") [Aggson et al., 1992], или остаточными структурами (fossil bubble signatures) [Sidorova, 2007]. Последнее означает, что ПП остановились, утратив способность к дальнейшему подъему, и вот-вот испытают сжатие (коллапс). Правомерно возникают следующие вопросы. Насколько устойчивы ("живучи") ПП, достигшие своих предельных высот? Есть ли принципиальная возможность наблюдать их на этих высотах по отдельной ионной компоненте He+? Очевидно, что для разрешения этих вопросов необходимо иметь количественные оценки характерных времен основных процессов, в которые вовлечены ПП (как единое образование) и его отдельная плазменная компонента (ионы Не+). Сравнительный анализ упомянутых характерных времен позволит ответить на вопрос о возможности регистрации ПП на высотах верхней ионосферы по отдельной плазменной компоненте Не+, что является целью данной работы.
2. ЧИСЛЕННЫЕ ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
Для исследования возможности регистрации ПП на высотах верхней ионосферы по его минорной специи Не+ сделаем ряд численных оценок. Рассчитаем и сравним между собой характерные времена основных аэрономических и электродинамических процессов, в которые вовлечены ПП и его минорная ионная компонента Не+, а именно рассмотрим
1. Процессы рекомбинации ионов Не+ внутри ПП.
2. Процесс вертикального переноса ПП как единого целого.
3. Процесс диффузионного переноса ионной компоненты Не+ внутри ПП. При оценке диффузионных переносов сделаем (а) расчет характерного времени амбиполярной диффузии; и (б) поперечной диффузии (диффузии Бома).
4. В случае, если ПП будет способен "доживать" до дневного времени, оценим влияние процессов фотоионизации на продолжительность его существования.
Предварительно внесем важное уточнение. Все расчеты, приводимые в работе, "привязаны" к условиям повышенной и максимальной солнечной активности.
2.1. Характерное время рекомбинации Не+ плазменного "пузыря"
ПП образуются под влиянием плазменной неустойчивости Релея—Тейлора, развивающейся в по-слезаходный период на высотах основания /-области. /-область этого периода под действием всплеска скорости экваториального электромагнитного дрейфа испытывает резкий подъем, и ее основание достигает высот 350—400 км [Woodman, 1970; Fejer et al., 1979]. Концентрацию Не+ этих высот легко оценить по данным реальных измерений. Согласно радарным измерениям (Ареси-бо) [Wilford et al., 2003] в период высокой солнечной активности (октябрь, 2001 г.) абсолютная концентрация Не+ на высотах 350—450 км составляет (0.25—3) х 103 см-3. ПП, начинающий "всплывать", несет с собой тот ионный состав и те концентрации, что были на высоте его формирования. Следовательно, исходная концентрация Не+ внутри ПП будет именно такой, какой она была на момент и на высоте образования ПП.
Известно, что ионы гелия наиболее быстро "погибают" в бинарных реакциях рекомбинации с нейтральными частицами — молекулярным кислородом О2 и азотом N2:
He+ + N2 ^ He + N + N+ ^ He + N+,
He+ + O2 ^ He + O + O+ ^ He + O+.
Как же быстро произойдет изменение исходной концентрации Не+ внутри ПП под влиянием этих реакций? Не "исчезнут" ли ионы Не+ (и без того малочисленные) из его состава?
При подъеме ПП увлекает ионы, но никак не нейтралы. (Они проскакивают через ПП как через "сито", поскольку их нечем держать.) Последнее означает, что характерное время реакций потерь ионов гелия внутри ПП на разных высотах будет разным, поскольку фоновая концентрация нейтралов меняется с высотой. Сделаем оценку времени рекомбинации He+
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.