научная статья по теме ШИРОТНЫЕ ВАРИАЦИИ И ВЫСОТНЫЕ ПРОФИЛИ ИОНОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ: СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭМПИРИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ШИРОТНЫЕ ВАРИАЦИИ И ВЫСОТНЫЕ ПРОФИЛИ ИОНОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ: СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭМПИРИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2015, том 34, № 10, с. 18-24

^ ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ

УДК 550.3

ШИРОТНЫЕ ВАРИАЦИИ И ВЫСОТНЫЕ ПРОФИЛИ ИОНОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ: СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭМПИРИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ © 2015 г. М. Г. Ботова*, Ю. В. Романовская, А. А. Намгаладзе

Мурманский государственный технический университет *Е-таИ: botovamg@gmail.com Поступила в редакцию 11.12.2014

С помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (ИАМ) проведено численное моделирование вариаций электронной концентрации в разные сезоны при низком и высоком уровнях солнечной активности. Результаты моделирования были сопоставлены со значениями, рассчитанными по эмпирической модели ионосферы №1-2012. Показано, что ИАМ воспроизводит результаты эмпирической модели №1-2012, полученные для средних и низких широт и дневных часов как для низкой, так и для высокой солнечной активности с погрешностью до 40% вне зависимости от сезона. Наибольшее различие результатов расчетов электронных концентраций, выполненных с помощью моделей ИАМ и №1-2012, отмечено для высоких широт и объясняется тем, что эмпирическая модель не воспроизводит главный ионосферный провал. Кроме того, имеют место большие расхождения в результатах расчетов высотных профилей электронной концентрации на высотах плазмосферы при низкой солнечной активности, что может быть связано с влиянием начальных условий на результаты численного моделирования.

Ключевые слова: ионосфера, численное моделирование, электронная концентрация.

DOI: 10.7868/S0207401X15100039

1. ВВЕДЕНИЕ

Ионосферное моделирование развивается уже более 50 лет и берет свое начало с одномерных моделей среднеширотной ионосферы для одного сорта ионов [1]. Процесс развития моделей идет по пути включения все большего числа моделируемых параметров, распространения моделей на низкие и высокие широты, учета трехмерного характера переноса плазмы, описания как можно большего числа процессов в верхней атмосфере и связей между ее подсистемами. Глобальные трехмерные физические модели являются наиболее мощным инструментом для исследования верхней атмосферы Земли. Численные эксперименты, проводимые с помощью таких моделей, позволяют выявить основные физические механизмы, определяющие характер наблюдаемых вариаций параметров среды. Принципы построения физических моделей, описание входных параметров и задание пространственных сеток можно найти в работах [2—8].

Трехмерная самосогласованная численная модель верхней атмосферы Земли — UAM (Upper Atmosphere Model) [9—12] описывает термосферу, ионосферу, плазмосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему в диапазоне вы-

сот от 80 км до 15RE (Re — радиус Земли). С помощью этой модели рассчитываются концентрации основных нейтральных и заряженных компонент верхней атмосферы, температуры нейтрального, ионного и электронного газов, скорости движения заряженных и нейтральных частиц путем численного интегрирования квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса. В модели решается уравнение для потенциала электрического поля магнито-сферного и термосферного (динамо) происхождения. Помимо полностью самосогласованного варианта расчета параметров верхней атмосферы в UAM реализована возможность использования эмпирической модели термосферы — NRLMSISE-00 (National Research Laboratory Mass Spectrometer, Incoherent Scatter Radar Extended Model) [13] для расчета состава и температуры нейтрального газа и эмпирической модели HWM-93 (Horizontal Wind Model) [14] для расчета скорости горизонтального нейтрального ветра.

Тестирование и верификацию моделей проводят, как правило, через сопоставление модельных результатов с данными наблюдений при различных геофизических условиях. В работах [15—17]

для такого сравнения используют данные отдельных станций для конкретных событий.

Для проверки полученных модельных результатов можно использовать эмпирические модели, например версии справочной модели ионосферы — IRI (International Reference Ionosphere). Последней версией модели является IRI-2012 [18], которая для заданных координат, времени и даты выдает среднемесячные значения параметров ионосферы в диапазоне высот от 50 до 2000 км. Источником данных для модели IRI-2012 являются ионозонды, радары некогерентного рассеяния, зонды, спутники и ракеты. Отметим, что и сама эмпирическая модель IRI является предметом тестирования и проверки [19—21] вследствие усреднений данных наблюдений, применяемых при ее построении.

Данная статья посвящена сравнению результатов численного моделирования поведения ионосферы, выполненного с помощью модели UAM для двух уровней солнечной активности и различных сезонов, с результатами расчетов по эмпирической модели ионосферы IRI-2012. Цель этой работы — определение качества воспроизведения поведения ионосферы теоретической и эмпирической моделями, что позволит выделить направления работы для дальнейшего улучшения модели UAM.

2. МОДЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ

Численное моделирование вариаций параметров верхней атмосферы проводилось с использованием следующих версий модели UAM: 1) версии, включающей эмпирическую модель термосферы NRLMSIS-00 для расчета состава и температуры нейтральной атмосферы (далее по тексту — UAM-TM) и 2) полностью самосогласованной версии с расчетом термосферных параметров путем решения уравнений непрерывности, теплового баланса и движения для нейтральной атмосферы (далее — UAM-TT).

Модельные расчеты были выполнены для условий равноденствия и солнцестояния и двух уровней солнечной активности. Так, декабрьскому солнцестоянию 2004 года и апрельскому равноденствию 2005 года соответствовала величина потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см — F10.7 ~ 90, в то время как декабрьскому солнцестоянию 2000 года и апрельскому равноденствию 2002 года соответствовало значение F107 ~ 180.

Входные параметры задавались идентично для обеих версий модели: 1) спектры потоков солнечного ультрафиолетового и крайнего ультрафиолетового излучений были получены по модели из работы [22]; 2) разность электрического потенциала поперек полярной шапки была рассчитана по эмпирической зависимости от аврорального ^-индекса [23]; 3) потоки высы-

пающихся частиц были взяты в соответствии с эмпирической моделью из [24].

Пространственная сетка имела следующие характеристики: переменный шаг по широте (от 2° вблизи экватора до 2.5° вблизи полюсов при расчете ионосферных параметров и от 4° вблизи экватора до 2° вблизи полюсов при расчете параметров термосферы), постоянный шаг по долготе (15°) и переменный шаг по высоте (от 3 км на нижней границе вблизи 80 км до 20 км в F2-слое — области главного ионосферного максимума).

В качестве начальных условий использовались квазистационарные решения уравнений, полученные в ходе двухкратного прогона (расчета параметров верхней атмосферы для одних и тех же суток). Далее, стартуя от этих начальных условий, был проведен расчет параметров для пяти модельных суток. Сопоставление с результатами эмпирической модели IRI-2012 проводилось для значений, рассчитанных по модели UAM для 24:00 UT пятых модельных суток.

3. ШИРОТНЫЕ ВАРИАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ

На рис. 1 представлены широтные вариации концентрации электронов в максимуме F2-слоя (NmF2 — peak F2-layer electron density), рассчитанные с использованием версий модели UAM-TM и UAM-TT и эмпирической модели IRI-2012 для магнитного меридиана 15—03 MLT Широтные вариации NmF2 представлены для условий апрельского равноденствия (26.04.2005, внизу слева), декабрьского солнцестояния (26.12.2004, вверху слева) для низкой солнечной активности и для условий апрельского равноденствия (26.04.2002, внизу справа) и декабрьского солнцестояния (26.12.2000, вверху справа) для высокой солнечной активности.

Рисунок 1 показывает, что обе версии численной модели UAM (TM и TT) дают для условий низкой и высокой солнечной активности схожие по форме широтные вариации NmF2. Для условий высокой солнечной активности различие между версиями UAM больше и достигает в максимуме трех раз.

Как следует из рис. 1, результаты численных расчетов по двум версиям модели UAM и значения эмпирической модели ионосферы IRI-2012 показывают, что:

1) наилучшее качественное согласие демонстрируют изолинии, построенные для средних и низких широт и дневных часов как для низкой, так и для высокой солнечной активности вне зависимости от сезона. При этом хотя бы одна из модельных версий воспроизводит форму изолинии эмпирической модели, включая положения максимумов и интервалы возрастания/убывания параметра, а сами модельные значения NmF2 отличаются от эмпирических не более чем на 30 и

^(N„¥2, м-3) 26 декабря 2004 13

12

11

10 9 8

26 декабря 2000

Зима Лето Лето Зима

л

■ Л \ * о

о -Л* Ч -о ^ •V «4°

• • о

Ночь (03:00 МЕТ) ..... День (15:00 МЕТ) 111111

90° 30° -60° 0°

30°

60°

90°

60°

30° 30°

26 апреля 2005

13 12 11 10

Весна

Осень

Осень

60° Весна

90°

90°

.'Ночь (03:00 М.1Т; 30°

60°

30° ' -90° -30° 30° 90° -60° -60° 0° 60°

13 12 11

10 9

8

90°

13 12 11 10

9 90

Зима

30° 60° 0°

-30° ' -90° -30° -60° -60° 0°

26 апреля 2002

Осень

Осень

1-1-1

30° 90° 60°

Весна

60°

Геомагнитная широта

0° -60° -60° 0° Геомагнитная широта

30° 90° 60°

Рис. 1. Широтные вариации электронной концентрации в максимуме ¥2-слоя (^Б2) для магнитного меридиана 15-03 МЕГ и 24:00 ЦТ при низкой (левый столбец, F^o 7 ~ 90) и высокой (правый столбец, F^o 7 ~ 180) солнечной активности. Белые кружки - результаты расчетов по ЦАМ-ТМ, черные кружки - по ЦАМ-ТТ, сплошная линия - по 1Ы-2012.

9

40% в расчетах для низкой и высокой солнечной активности соответственно;

2) наибольшее качественное и количественное расхождение имеет место для высоких широт (больше +60° и меньше -60°), для которых обе версии модели ЦАМ, в отличие от 1Ш-2012, воспроизводят ярко выраженный минимум N„,¥2 с падением значений параметра на 1.5-2 порядка.

Указанное выше расхождение между результатами численных расчетов по двум версиям модели ЦАМ и значениями, полученными по эмпирической модели ио

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