КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 3, с. 219-227
УДК 550.388
РОЛЬ ВЫСЫПАЮЩИХСЯ ПРОТОНОВ В ИОНИЗАЦИИ ПОЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЫ
© 2004 г. |Н. В. Смирнова)1, А. Н. Ляхов1, Ю. И. Зецер1, А. П. Осепян2, Ч.-И. Менг3, Р. Смит4, Г. К. Ш. Нильсен4
1 Институт динамики геосфер РАН, г. Москва 2 Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Мурманск 3 Лаборатория прикладной физики, Университет Джона Гопкинса, Вашингтон, США 4 Геофизический институт, Университет Аляски, Фэрбенкс, США Поступила в редакцию 30.09.2002 г.
На основе физической модели Е- и нижней ^-областей высокоширотной ионосферы с использованием статистических моделей высыпания авроральных протонов и электронов рассчитаны пространственные распределения электронной концентрации в диапазоне широт 60-90°№ Показано, что высыпающиеся протоны могут играть ключевую роль в ионизации Е-области в вечернем и полуночном секторах аврорального овала. Однако количественные оценки вклада протонов в ионизацию зависят от использованных статистических моделей электронного высыпания. Сравнение профилей электронной концентрации, рассчитанных для двух радаров некогерентного рассеяния ЕКСАТ (Тромсе) и ЕБЯ (Сваль-бард) при одновременном высыпании электронов и протонов и чисто электронном высыпании, показывает, что протоны оказывают наиболее значительное влияние в вечернем секторе над ЕКСАТ радаром, а в полуночном - над радаром ЕБЯ. Представленные результаты свидетельствуют о необходимости учета протонов при использовании радарных данных для выведения спектров высыпающихся электронов.
ВВЕДЕНИЕ
Вплоть до недавнего времени при моделировании пространственно-временной структуры высокоширотной ионосферы ограничивались в основном учетом высыпания только авроральных электронов. Более того, во всех существующих методах выведения спектров высыпающихся электронов из профилей электронной концентрации, измеренных радарами некогерентного рассеяния, игнорируется роль протонов в формировании профиля Ие(Н) и вся ионизация приписывается высыпающимся электронам. Однако многочисленные спутниковые измерения авроральных протонов [1-6] привлекли внимание к этому источнику ионизации и модификации верхней атмосферы высоких широт [7-9]. Статистические исследования [3] показали, что интегральный энергетический поток протонов на некоторых широтах и в отдельные моменты времени в авроральном овале может быть равным или даже превышать поток электронов. Это говорит о необходимости исследования влияния совместного высыпания электронов и протонов на структуру ионосферы в любой части высокоширотной зоны и оценки роли высыпающихся протонов в создании ионизации в авроральном овале.
В данной работе предпринята попытка такого исследования на основе физической модели Е- и нижней Р-областей высокоширотной ионосферы с использованием статистических моделей высыпаний авроральных электронов и протонов [3, 10, 11].
МОДЕЛЬ Е- И НИЖНЕЙ ^-ОБЛАСТЕЙ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ
Известно, что распределение плазмы в ионосфере является результатом одновременного действия многих процессов, в том числе локальное образование солнечным излучением и высыпающимися электронами, химические процессы, рекомбинация и динамические процессы. В Е- и нижней .-области рекомбинационные процессы очень быстрые и для определения высотного распределения электронной концентрации достаточно корректного расчета локального образования без рассмотрения динамики плазмы. При моделировании авроральной ионосферы решающее значение имеет корректный расчет скоростей ионизации и возбуждения вторгающимися в атмосферу высоких широт энергичными электронами и протонами и достаточно детальное рассмотрение химических и радиационных процессов с участием ионизованных и возбужденных компонентов, что в конечном итоге определяет скорость ре-комбинационных процессов и профиль Ие(К).
Модель разработана для исследования изменения структуры авроральной ионосферы на высотах 90-200 км при высыпаниях авроральных частиц в различных по освещенности, уровню солнечной и геомагнитной активности условиях. Она базируется на детальных исследованиях [12-17] и включает 75 процессов для 7 положительных ионов (N, 0+, 0+(2Б), 0+(2Р), 0+(48), N0+), элек-
h, км 150
140
130
120
110
100
90 150
140
130
120
110
100
105
106
Ne, см-3
Рис. 1. а - сравнение модельного профиля электронной концентрации (жирная кривая) с результатами измерений ЕКСАТ 5.Х11 1994 г. (различные символы) и расчетами [5] (тонкая кривая).
б - вклад высыпающихся электронов (пунктирная кривая) и протонов (тонкая сплошная кривая) в создание профиля Ые(к) в эксперименте 5.Х11 1994 г.
тронов, 12 возбужденных и малых нейтральных компонентов А3 Х+), ^(С3ПИ), ^(Б3П8),
02(А3Х+), 02(Ь1 Е+), 02(1А8), 0(1Б), 0(1Б), К(2Б), К(2Р), N0, К(4Б)). Решается система уравнений вида:
йп/йг = 0рк] + 0е] + 0Р] + 0к] - ь]п]. (1)
Здесь Qphj - скорости образования /-го компонента прямым солнечным или рассеянным излучением; Qej, и Qpj - скорости образования высыпающимися электронами и протонами, соответственно; Qkj, Ьр - скорости образования и гибели компонента за счет химических и радиационных процессов, значения констант скоростей для которых выбирались на основании критического анализа многих ориги-
нальных и обзорных работ. Для расчета Qej использованы методики [18], основанные на результатах статистического моделирования прохождения пучка авроральных электронов через атмосферные газы и хорошо зарекомендовавшие себя для решения подобного рода задач. Скорости образования электронов и ионов вторгающимся протонным пучком рассчитаны с использованием методики [7], в которой основные параметры (пробег протонов, нормированная скорость диссипации энергии и потери энергии на образование одного электрона) выведены из решений транспортных уравнений. Расчет фоновой ионизации прямым и рассеянным излучением Солнца, необходимый при моделировании слабо возмущенных условий, осуществляется по методикам [19.20]. При этом интенсивности излучения во всех диапазонах (32 интервала для X = 10102.7 нм, 13 интервалов для X < 10 нм и 4 линии для рассеянного излучения) рассчитываются в зависимости от солнечной активности.
Учитывая, что вторжение авроральных электронов приводит к нагреву электронного и ионного газа с последующим изменением скоростей рекомбинации электронов и ионно-молекулярных реакций, определяющих ионный состав, к системе уравнений вида (1) добавлены уравнения (2, 3) для расчета температуры электронов Te и ионов T.
dj-- = Izi Te ^ + -2- [teQe + Pei + Q( Ü2) +
dt Ne e dt 3kNe (2)
+ Q( N2) + Q( ü )]
где y = cp/cv = 5/3, k - константа Больцмана, Pei -потери энергии электрона в столкновениях с ионами. Члены Q(O2) и Q(N2) в уравнении (2) определяют потери энергии тепловых электронов на возбуждение вращательных и колебательных уровней O2 и N2 и в упругих столкновениях с O2, N2; член Q(O) включает потери энергии в упругих столкновениях с O и на возбуждение электронных уровней и тонкой структуры O. Они рассчитывались в соответствии с [17]. Член eeQe в (2), определяющий нагрев электронного газа вторичными электронами, рассчитывается согласно [16].
Изменение температуры ионов описывается уравнением:
dT = Y—l T dJN
dt
Ni
+
dt 3 kN,
(-Pei).
(3)
Модель позволяет рассчитывать также интенсивности всех основных авроральных эмиссий, измеряемых с земли, на ракетах и спутниках.
Эта модель протестирована на данных ракетно-спутниковых измерений потоков высыпающихся электронов, ионного состава и интенсивностей ряда авроральных эмиссий, а также ряда координированных измерений потоков электронов на спутниках и профилей Ие(К) радаром некогерентного рассеяния ЕТБСАТ. Результаты тестирования, пред-
4
1 Г □ □
7.5 • 103 2.9 • 104 5.0 • 104 7.1 • 104 9.2 • 104 1.1 • 105
180 Н
160
140
120
100
60 70 80
Широта
Ые: 3.8 • 103 2.3 • 104 3.9 • 104 4.5 • 104 5.2 • 104 6.0 • 104 7.1 • 104 200-,
180-
к
160-
140-
120-
100-
60
70 80
Широта
а
Рис. 2. Пространственные распределения электронной концентрации, рассчитанные для 15 иТ, Кр = 3 при а - одновременном высыпании электронов и протонов; б - высыпании электронов по модели [10]; в - высыпании электронов по модели [11].
60 65 70 75 80 85
Широта
Рис. 2. Окончание.
ставленные в [21], показали способность модели с хорошей точностью воспроизводить экспериментальные данные в условиях вторжений электронных потоков.
Для оценки работоспособности модели в условиях одновременного высыпания протонов и электронов и рассмотрения роли протонов в ионизации авроральной ^-области используем данные координированного DMSP/EISCAT эксперимента [5], который был проанализирован в [9].
5.XII 1994 г. спутник DMSP F10 измерял характеристики высыпающихся авроральных частиц в непосредственной близости от радара некогерентного рассеяния EISCAT (Тромсе, 69.6°N 19.2°E). Детали этого эксперимента подробно описаны в [5.9]. Спектр протонов соответствовал максвелловскому с характеристической энергией 7.6 кэВ и полным энергетическим потоком 1.38 эрг см-2 с1. Спектр электронов был также максвелловским с характеристической энергией 1 кэВ и полным энергетическим потоком 0.37 эрг см-2 с-1. Поток энергии, вносимый высокоэнергичными электронами с энергией E > 10 кэВ, составлял 0.26 эрг см2 с-1.
На рис. 1a представлены модельные профили электронной концентрации, рассчитанные с использованием измеренных спектров высыпающихся авроральных частиц. Здесь же для сравнения приведены минимальные и максимальные
электронные концентрации, измеренные радаром в рассматриваемом эксперименте, а также профиль Ие(Н), рассчитанный в [5]. Видно, что наш модельный профиль находится в разумном согласии с экспериментальными данными. Несколько большие Ие на высотах к < 108 км по сравнению с результатами расчетов [5] связаны в первую очередь с некоторой неопределенностью данных по высокоэнергичному хвосту измеренного спектра электронов, которые определяют электронную концентрацию на этих высотах.
Рис. 16 иллюстрируют вклад высыпающихся электронов и протонов в создание электронной концентрации в рассматриваемом эксперименте. В
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.