научная статья по теме РОЛЬ ВЫСОТНОГО ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ ТЕРМОСФЕРНОГО ВЕТРА В ДИНАМИКЕ F-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ ВЫСОТНОГО ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ ТЕРМОСФЕРНОГО ВЕТРА В ДИНАМИКЕ F-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 3, с. 381-386

УДК 550.388.2

РОЛЬ ВЫСОТНОГО ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ ТЕРМОСФЕРНОГО ВЕТРА В ДИНАМИКЕ /-ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ

© 2011 г. А. Ф. Яковец, В. В. Водянников, К. Ж. Нурмуханбетова, Г. И. Гордиенко, Ю. Г. Литвинов

Институт ионосферы, АО "Национальный Центр космических исследований и технологий", Алматы

e-mail: artyak40@mail.ru Поступила в редакцию 22.05.2010 г.

После доработки 29.07.2010 г.

На основе результатов обработки данных вертикального зондирования ионосферы в Алма-Ате за 2000—2009 гг. получены распределения высот максимума (hmF) и основания (hbotF) слоя F2, приращения его полутолщины (Sh), характеристического времени потерь (т) и вертикальной скорости перемещения узла термосферного ветра (V) в переходное время суток при ночном повышении электронной концентрации в максимуме слоя. Проведено сравнение измеренных Vи модельных Vm скоростей, показавшее их некоторое расхождение. Рассмотрена роль высотного градиента скорости меридионального термосферного ветра в поведении hmF, hbotF, Sh и т при ночном повышении электронной концентрации.

1. ВВЕДЕНИЕ

Динамика верхней термосферы и ионосферы во многом определяется глобальным термосферным ветром. Тепловой нагрев атмосферы в дневное время приводит к ее расширению, что создает горизонтальные градиенты давления, приводящие к возникновению средних термосферных ветров [Rish-beth, 1972]. В работе [Balan et al., 2006] показано, что на глобальную циркуляцию термосферного ветра накладываются суточная и полусуточная компоненты атмосферного прилива, а также волны с периодами 16—20 ч и 35—55 ч.

Атмосферные приливы, являясь глобальными осцилляциями ветра с периодом в одни сутки, половину суток, треть суток и т.д., генерируются в основном солнечным нагревом в трех высотных интервалах, определяемых присутствием поглощающих составляющих [Forbes, 1995]. В тропосфере ниже 10 км молекулы воды поглощают в близком инфракрасном диапазоне. Поглощение озоном ультрафиолета приводит к диссоциативному нагреву, который максимален на высотах 40—60 км. Молекулярный кислород и азот поглощают ультрафиолетовое излучение на термосферных высотах, приводя к максимуму диссоциативного нагрева между высотами 100—200 км. Мигрирующие тепловые приливы, генерируемые в этих трех высотных интервалах, распространяются вверх в термосферу и ионосферу и в значительной мере определяют их динамику. Влияние магнитной активности на амплитуду приливов исследовано в работах [Müller-Wodarg, 2001; Карпов и Бессараб, 2005].

Считается, что наилучшие оценки горизонтальных движений в термосфере дает эмпирическая мо-

дель HWM90 [Hedin et al., 1991], построенная на основе данных спутниковых измерений и наземных измерений радарами некогерентного рассеяния и интерферометрами Фабри-Перо. В работе [Miller etal., 1990] показано, что параметры ветра, определяемые из данных вертикального зондирования ионосферы, хорошо согласуются с данными, получаемыми моделью HWM87. Учитывая, что многочисленные станции вертикального зондирования распределены по всему земному шару, метод представляется важным для оценки термосферного ветра и приливов в глобальном масштабе. Этот метод, основанный на оценке скорости ветра из вертикальных движений высоты максимума /2-слоя ионосферы, дает интегральные по толщине слоя оценки скорости горизонтального ветра, так как предполагается, что кинематическая вязкость устраняет вертикальный градиент меридионального термосферного ветра на высотах /2-слоя, поэтому рассчитанная скорость может относиться ко всей толщине слоя. Однако в работе [Яковец и др., 2009] было замечено, что поведение вертикальной структуры /2-слоя в переходное ото дня к ночи время суток указывает на существование высотного градиента горизонтальной скорости ветра. В настоящей работе на основе результатов обработки данных вертикального зондирования ионосферы в Алма-Ате за 2000—2009 гг. получены статистические характеристики поведения ряда параметров F2-слоя в переходное время суток и обсуждена роль вертикального сдвига скорости термосферного ветра в поведении этих параметров.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Ночные наблюдения ионосферы проводятся в Институте ионосферы (Алма-Ата (76°55'Е, 43°15^)) на цифровом ионозонде, сопряженном с компьютером "РепИит-166", который предназначен для сбора, хранения и обработки ионограмм в цифровом виде. Информация считывается с ионо-грамм полуавтоматическим методом. Длительность сеансов наблюдения, осуществляемых в 5-минутном режиме, в зависимости от сезона составляет 10—14 ч, 10—15 ночей каждый месяц. Первичная обработка ионограмм включает считывание значений действующих высот (й'(0) отражения радиосигнала на ряде фиксированных рабочих частот зондирования и значений критической частоты (/>?). Ионозонд обеспечивает точность считывания Н'(1) ~ 2.5 км и точность считывания/0¥ ~ 0.05 МГц. Дальнейшая обработка включает получение из ионограмм высотного распределения электронной концентрации (М(А)-профилей), используя программу пересчета POLAN [И1кег1ё§е, 1985] действующих высот в истинные высоты.

В работе [Яковец и др., 2009] исследовано поведение вертикальной структуры слоя /2 ионосферы, включающей вариации высот максимума (НтР) и основания (кЬо{¥) слоя, его полутолщины (ДА = = Нт¥ — НЬои электронного содержания Ж(к) на ряде фиксированных высот во время ночных увеличений электронной концентрации в максимуме зимнего слоя /2 (Ыт¥). Показано, что ускоренное падение электронной концентрации слоя на коротком временном интервале, предшествующем началу ночных увеличений определяется не только скоростью рекомбинационного процесса, но и перераспределением плазмы по увеличивающейся толщине слоя. Регулярно наблюдаемый эффект запаздывания момента инверсии направления движения основания слоя, относительно соответствующего момента для максимума слоя позволил заключить, что инверсия направления меридионального ветра с дневного, направленного к полюсу, на ночное, направленное к экватору, происходит не одновременно по всей толще слоя — с уменьшением высоты инверсия направления наступает позднее.

В настоящей работе проведен анализ данных измерения за период 2000—2009 гг. За этот период было выбрано 83 сеанса измерения, характеризуемые ночным увеличением ЫтЕ, при котором количественные оценки поведения параметров /2-слоя могли быть получены с большой точностью. Оказалось, что большая часть таких сеансов (73 сеанса) приходилась на периоды с низкой геомагнитной активностью (Ар < 15). На рисунке 1 представлены примеры типичного поведения Нт¥, кЬо,¥, ДА и критической частоты (/0/). Стрелками указаны моменты инверсии направления движения кт¥, НЬо,¥и ДА, соответствующие минимумам во временном ходе указанных величин. Из приведенных на рисунке

примеров следует, что моменты, соответствующие моментам инверсии hmF и Ah, совпадают, а момент инверсии hbotF запаздывает относительно hmF на некоторую величину.

Запаздывание минимума в ходе hbotF относительно минимума hmF приводит к тому, что в то время, когда hmF2 начинает возрастать, hbotF2 еще продолжает падать в течение некоторого времени. Здесь следует обсудить существующую связь между направлением меридионального термосферного ветра и вертикальным движением ионосферной плазмы. Термосферный ветер за счет соударений нейтральных частиц с положительными ионами вовлекает в движение ионы и электроны. В F-области ионосферы, где плазма является замагниченной, ионы и электроны могут двигаться только вдоль направления геомагнитного поля. На средних широтах линии поля наклонены относительно горизонтали, поэтому движение ионов имеет вертикальную компоненту, которая приводит к изменению высоты FZ-слоя. Воздействие ветра зависит от его ориентации относительно магнитного поля: направленный в дневное время к полюсу ветер вызывает дрейф плазмы, направленный вниз, в то время как ветер, направленный к экватору в ночное время, вызывает дрейф, направленный вверх. Эти эффекты, величина которых определяется геометрией магнитного поля, изменяются с магнитным наклонением (7). Магнитное наклонение точки наблюдения составляет 62°. Из рисунка 1 следует, что инверсия направления движения слоя F2, как было сказано выше, происходит не одновременно по всей толще слоя — с уменьшением высоты оно наступает позднее. Физический механизм, ответственный за этот эффект, проиллюстрирован на рис. 2, где представлен высотный профиль меридиональной скорости термосферного ветра (Vh) для момента, когда происходит инверсия ветра на высоте h = 240 км. Высотный профиль скорости ветра отображает приливную или иную крупномасштабную гравитационную волну, существующую на термосферных высотах [Balan et al., 2006], с волновым вектором k, направленным вниз. Известно, что в то время как перенос энергии приливов происходит снизу вверх, их фазовая скорость (направление движения узла волны (n)) направлена вниз [Williams, 1996]. Для данного момента времени горизонтальная скорость ветра выше узла волны, достигшего hm = 240 км, направлена с севера на юг, что заставляет заряженные частицы двигаться вверх вдоль направления геомагнитного поля B. В то же время, ниже узла волны меридиональный ветер еще сохраняет дневное направление на север, и заряженные частицы продолжают двигаться вниз. Это разнонаправленное движение заряженных частиц, находящихся выше и ниже узла волны, приводит к таким эффектам в F2-области, как быстрое увеличение толщины слоя, и вследствие этого ускоренные потери плазмы в мак-

14-15 декабря 2002 г.

28 февраля—1 марта 2001 г. h, км Ah, км foF

400 -г 200

300 200

100

10 500-

-9 400-

-8

300-

-7

-6 200-

-5

100-

-4

20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 Время, LT, ч

к, км 500

400

300

200

100

18-19 декабря 2002 г.

Ah, км

| ' h F ' ' KVI I I

,/ V»>>l 1 1 г 1 1 1 j-

V/ 1 —ТЧ 1 1 1 7 _

-т. \-

- Ф0/\

-

л/ Г 1 ¡lili!

20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 Время, LT, ч

26-27 ноября 2004 г.

к, км 400

300

200

100

Ah, км

20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 Время, LT, ч

Л А т^лт

foF, МГц 10

-8 -6 4 2

22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 Время, LT, ч

foF, МГц к, км

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