Эффекты возмущения нейтральных ветров
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.
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/>