|
Эффекты возмущения нейтральных ветров
С.А.
Ишанов, В.В. Медведев, Л.П. Захаров, В.А. Залесская, Ю.С. Жаркова
1. Введение
 В работе [1] впервые
было обращено внимание на возможное влияние термосферных ветров в F-области
ионосферы. Нейтральные частицы, сталкиваясь с ионами, передают им импульс в
направлении геомагнитного поля, что приводит к возникновению вертикального
дрейфа заряженных частиц [2]. Многочисленные результаты наблюдений методом
некогерентного рассеяния (например, [3]) показали, что в дневное время
меридиональная составляющая термосферного ветра в основном направлена к полюсу,
а ночью — к экватору. В результате этого днем высота максимума электронной
концентрации в F2-слое смещается вниз, в области с быстрыми скоростями потерь
ионов О+, а в ночные часы, наоборот, поднимается на большие высоты, попадая в
область, где ион-молекулярные реакции с участием ионов О+ протекают существенно
медленнее, чем на низких высотах, что способствует поддержанию ионизации в
F2-слое ночной ионосферы. Кроме того, F-область очень чувствительна к фазе
нейтрального ветра [3]. Поэтому пренебрежение термосферным ветром при расчете
ионосферных параметров дает неверную картину их поведения (особенно высоты
максимума F2-слоя ионосферы hmF2). С другой стороны, изменение концентрации
электронов вследствие сил ионного торможения в свою очередь приводит к
перестройке ветровой структуры атмосферы. Эта взаимосвязь нейтральной атмосферы
с ионосферой требует при ее теоретическом изучении самосогласованного решения
системы уравнений, включающих в себя уравнение нейтральных и заряженных частиц.
В данной работе рассматриваются результаты расчетов высотно-временного
распределения электронной концентрации на различных математических моделях
[9—10] и для различных геофизических условий с учетом и без учета скоростей
нейтрального ветра.
2. Уравнения движения
нейтрального газа
Меридиональная
составляющая термосферного ветра Vnx, входящая в уравнение движения ионов,
определяется из решения уравнения движения нейтрального газа в предположении,
что все компоненты газа движутся с одинаковой горизонтальной скоростью Vn. Основной
движущей силой термосферного ветра можно считать горизонтальный градиент давления,
который возникает в результате суточного и широтного изменения температуры, приводящего
к расширению атмосферы днем («дневное возмущение»). Кроме того, необходимо
также учитывать силу инерции, силу Кориолиса, внутреннюю вязкую силу и внешнюю
силу вязкости, обусловленную трением нейтральных частиц об ионы. Тогда
уравнение горизонтального движения нейтрального газа записывается в виде:
 (1)
Введем декартову систему
координат с осью X, направленной на юг, осью Y — на восток и осью Z —
вертикально вверх. Как известно, ионосферные параметры на средних широтах
испытывают наибольшее изменение с высотой и существенно более слабо меняются в
горизонтальных направлениях, т. е.
 ,  .
Учитывая эквивалентность
долготы и местного времени, можно применять
 ,  ,
где Ω — угловая
скорость вращения Земли,
R0 — радиус Земли,
z — высота над уровнем
Земли,
φ — географическая
широта.
Далее полагаем, что
магнитное склонение равно нулю, т. е. географические и геомагнитные
координатные линии совпадают. Учитывая вышеотмеченное, уравнения движения для
нейтрального газа в проекциях на оси X, Y запишем в виде:
 ; (2)
 . (3)
Градиенты давлений  и  , входящие в
уравнения (2), (3),
 ,
 ,
где z0 — нижняя граница
значения высоты.
Выражения для Tn(z)
выбираются из моделей нейтральной атмосферы Яккиа — 1970, Яккиа — 1971, Яккиа —
1973, Яккиа — 1977 [4—8].
3. Результаты расчетов
Известно, что во время
сильных геомагнитных возмущений меридиональная (Vnx) составляющая скорости
нейтрального ветра может достигать чрезвычайно больших значений (500 м/с). Так,
прямые оптические наблюдения термосферных ветров в обсерватории Ф. Пик
(φ=40 %) и расчеты по модели указывают на рост скоростей термосферных
ветров в направлении к экватору до значений 600—700 м/с в периоды сильных
магнитных бурь.
На рис. 1—2 представлены
результаты расчетов, проведенных на моделях [9—10]. Величина направленной к
экватору возмущенной компоненты ветра определяется, главным образом, широтным
градиентом температуры нейтрального газа. Влияние ветров на F2-слой существенно
зависит от фазы суточной вариации ветра, которая определяется фазами суточных
вариаций плотности и температуры нейтрального газа. В отсутствие ветров
уменьшение электронной концентрации, вызванное изменениями нейтрального
состава, в свою очередь, вызывает увеличение электронной температуры ≈ 1
000° К, что качественно соответствует наблюдениям [4]. При наличии же ветров
рост Ne при больших Кр ведет к уменьшению Те, несмотря на рост температуры
нейтрального газа.
Рис. 1. Рассчитанные
высотные распределения Ne для Kp = 0 (сплошная),
Kp = 4 (пунктирная), Kp
= 8 (штрих-пунктирная) по моделям [5—7] при LT = 1200
 Рис. 2. Рассчитанные
высотные распределения Ne для Kp = 0 (сплошная),
Kp = 4 (пунктирная), Kp
= 8 (штрих-пунктирная) по моделям [5—7] при LT = 0000
Таким образом,
проведенный вычислительный эксперимент по расчету ионосферной электронной
концентрации на различных математических моделях показал:
1) результаты расчетов
на различных моделях совпадают, что может являться одним из доказательств
теоретической правильности построенных моделей;
2) результаты
подтвердили существенную роль ветров в формировании высотного распределения
ионосферной плазмы, а следовательно, и необходимость учета в математическом
моделировании уравнений, их описывающих.
Поддержана
грантом
РФФИ № 04-01-00830.
Список литературы
1. King J.W., Kohl H. Upper atmospheric winds and ionospheric drifts
caused by neutral air pressure gradients // Nature. 1965. V. 206. № 4985. P.
693—701.
2. Kohl H., King J.W., Eccles D. Same effects of neutral air wind on the
ionospheric F-layer // J. Atmos. Terr. Phys. 1968. V. 30. № 10. P. 1733—1741.
3. Salah J.E., Holt J.M. Midlatitude thermaspheric winds from incoherent
scatter radar and theory // Radio S. 1974. V. 9. № 2. P. 301—313.
4. Hernander G., Roble R.G. Direct measurements of nighttime midlatitude
thermosperic winds and temperatures 2. Geomagnetic storms// J. Geophys. Res.
1976. V. 81. № 28. P. 5173—5181.
5. Jacchia L.G. New static models of the thermospheric and exospheric
with empirical temperature profiles // SAO Spec. Rep. 1970. № 313.
6. Jacchia L.G. Revised static models of the thermosphere and exosphere
with empirical temperature profiles // SAO Spec. Rep. 1971. № 332. P. 116.
7. Jacchia L.G. Variations in thermospheric composition: a model based
on mass-spectrometer and satellite grad data // SAO Spec. Rep. 1973. № 354.
8. Jacchia L.G. Thermospheric temperature, density and composition: new
models // SAO Spec. Rep.
1977. № 375.
9. Намгаладзе А.А.,
Захаров Л.П. Влияние возмущений состава нейтральной атмосферы и термосферных
ветров на F-область ионосферы // Исследование ионосферной динамики. М.:
ИЗМИРАН. 1979. С. 84—95.
10. Ишанов С.А., Латышев
К.С., Медведев В.В. Моделирование возмущений F2-области ионосферы при
антропогенных воздействиях // Модели в природопользовании: Межвуз. сб. науч.
тр. / Калинингр. ун-т. Калининград, 1989. С. 136.
Для подготовки данной
работы были использованы материалы с сайта http://old.albertina.ru/ |
