Исследование сезонных особенностей формирования областей повышения электронной температуры в субавроральной ионосфере

В работах [Brace et al., 1982; Kofman, 1984; Prölls, 2006] по экспериментальным данным были обнаружены эффекты повышения температуры электронов в субавроральной ионосфере. В работе [Prölls, 2006] по данным спутника DE-2 исследовано повышение температуры электронов T _e в субавроральной ионосфере. Установлено, что область повышения T e пространственно совпадает с положением главного ионосферного провала (ГИП). Численному моделированию теплового режима высокоширотной ионосферы, включая субавроральную, посвящен ряд работ [Клименко и др., 1991; Мингалева, Мингалев, 1992; David et al., 2011; Mingaleva, Mingalev, 1996; Prölls, 2006; Schunk et al., 1986] , в которых изучены причины формирования областей с повышенными температурами. Показано, что повышения T _e связаны с нисходящими потоками тепла, электрическими полями и пониженными значениями концентрации электронов n e в области ГИП. В [Бюхнер и др., 1983; Крымский,

1990; Cole, 1965; Prölls, 2006] сделано предположение, что возможной причиной повышения T e в субавроральной ионосфере может быть кольцевой ток, который возрастает в периоды возмущений. Тепло, генерируемое частицами кольцевого тока на высотах нескольких радиусов Земли, за счет высокой теплопроводности электронного газа может передаваться вниз вдоль силовых линий геомагнитного поля на высоты F-слоя ионосферы, приводя к повышению T _e.

Целью настоящей работы является исследование особенностей формирования областей повышения T _e в субавроральной ионосфере в разные сезоны с помощью численной модели высокоширотной ионосферы и данных ИСЗ CHAMP.

МОДЕЛЬ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ

Расчеты проведены на модели высокоширотной области F ионосферы в переменных Эйлера. Модель позволяет учитывать несовпадение географического и геомагнитного полюсов [Голиков и др., 2016]. Здесь приведем ее краткое описание. Концентрация ионов атомарного кислорода n(O+), температуры электронов Te и ионов Ti определяются в результате численного решения системы нестационарных трехмерных уравнений, состоящей из уравнений непрерывности для ионов O+, теплопроводности для электронов и ионов в интервале высот 120–500 км. В этом интервале можно принять условие квазинейтральности ne≈n(O+). Далее, скорости охлаждения электронного газа при взаимодействии с нейтральными частицами и ионами заданы согласно [David et al., 2011; Schunk, Nagy, 1978]. Температура и концентрация нейтральных компонент рассчитывались по модели термосферы NRLMSISЕ-00 [Picone et al., 2002]. Электрическое поле магнитосферной конвекции задано по модели А Хеппнера [Heppner, 1977]. Для расчета скорости корпускулярной ионизации использована модель авроральных высыпаний APM (Auroral Precipitation Model) [Vorobjev et al., 2013], а функция ионообразования высыпающимися частицами определяется по [Fang et al., 2008]. Скорости волновой ионизации при больших зенитных углах Солнца (χ>75°) рассчитаны согласно [Chapman, 1931].

Алгоритм решения системы моделирующих уравнений, а также их граничные условия рассмотрены в работах [Голиков и др., 2012, 2016] . Для численного решения трехмерных дифференциальных уравнений используется метод суммарной аппроксимации [Самарский, 1977] , в котором решение трехмерных дифференциальных уравнений сводится к последовательному решению системы одномерных уравнений. Далее используется конечно-разностная аппроксимация c последующим приведением к трехточечной схеме, которая решается методом прогонки. В качестве начального условия для n (O⁺) используется простой слой Чепмена, а электронная и ионная температуры приравниваются к температуре нейтрального газа ( T e = T i = T n ). Расчеты проведены при ∆ r =10 км, ∆θ=2°, ∆φ=10°, ∆ t =2 мин. На ПК с процессором 2400 МГц и 4000 Мб оперативной памяти время счета для получения периодического решения составляет приблизительно 30 мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ

МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ

На рис. 1 и 2 приведены распределения ne и Te на высоте 300 км для разных сезонов в 05 и 17 UT в координатах местное время (долгота) — географическая широта при задании нисходящего потока тепла P= –5·109 эВ см–2 с–1, формирующегося в периоды умеренных геомагнитных возмущений (Kр≈3) за счет кольцевого тока [David et al., 2011] на геомагнитных широтах 58°–62°. Здесь значения ne и Te даны в виде изолиний. Концентрические окружности соответствуют географическим широтам, проведенным через 10°. Цифры у внешнего круга — местное время, а рядом в скобках — географическая долгота. Штриховая линия — положение терминатора при зенитном угле χ=90°. Точка с двумя взаимно перпендикулярными линиями — геомагнитный полюс. Стрелками показаны скорости электронов, обусловленные электрическим полем магнитносферного происхождения. Штрихпунктир-ная окружность — положение плазмопаузы, которая соответствует экваториальной границе области магнитосферной конвекции, — задано по модели А Хеппнера [Heppner, 1977].

В 17 UT геомагнитный полюс располагается вблизи местного полудня и плазмопауза оказывается частично на освещенной стороне. Вследствие этого за счет магнитосферной конвекции путем выноса дневной ионизации на ночную сторону формируется язык ионизации, за которым на неосвещенной стороне происходит понижение n _e, отождествляемое с субавроральной ионосферой и ГИП [Брюнелли, Намгаладзе, 1988] (рис. 1, а ). Далее, в субавроральной ионосфере, где был задан нисходящий поток P , формируется область с повышенной T e , имеющая вид серпообразной зоны, совпадающей по положению с ГИП, где T e достигает 3000 K и более. В 05 UT геомагнитный полюс находится вблизи полуночного меридиана, а область конвекции — полностью на ночной стороне (рис. 1, б ). Вследствие этого наблюдается отрыв языка ионизации от дневной ионосферы с образованием дневного провала между терминатором и областью конвекции. Таким образом, провал n _e в широтном ходе формируется за областью конвекции во всем интервале LT, где из-за потока тепла P в субавроральной ионосфере формируется область повышенных T _e в виде кольца, в которой T _e достигает 2000K и более (рис. 2, б ).

В условиях весеннего равноденствия терминатор смещается вниз до линии 06–18 LT (рис. 1, в , г ). Область конвекции находится частично на освещенной стороне и в отличие от зимних условий в 05 UT дневной провал не наблюдается. В распределении T e влияние нисходящего потока тепла P в субавроральной ионосфере приводит к формированию области повышенных T _e>2000 K в виде серпообразной зоны в интервале ~22–07 LT как в 17 UT, так и в 05 UT (рис. 2, в , г ). При этом данная область проявляется более четко и находится на более низких географических широтах в 05 UT, чем в 17 UT вследствие несовпадения полюсов.

Далее в условиях летнего солнцестояния терминатор перемещается вниз и вся высокоширотная ионосфера в 17 UT оказывается преимущественно на освещенной стороне, в результате чего вероятность повышения T e на субавроральных широтах существенно уменьшается (рис. 2, д ). Для данного сезона характерно то, что нагрев плазмы за счет потока тепла P приводит к повышению T e в субавроральной ионосфере лишь в 05 UT, когда из-за несовпадения полюсов часть субавроральной ионосферы оказывается на ночной стороне (рис. 2, е ).

Можно заключить, что влияние нисходящего потока тепла P приводит к формированию областей с повышенной T e в субавроральной ионосфере на неосвещенной стороне. При этом конфигурации областей повышения T e в разные сезоны различны и зависят от мирового времени. Так, зимой в 05 UT повышение T _e имеет вид кольцеобразной области, совпадающей с положением провала n e , а в 17 UT и в другие сезоны — серпообразной зоны различной длины и четкости.

Рис. 1. Рассчитанные распределения концентрации электронов (в ед. 10⁴ см^–3) на высоте 300 км в 05 и 17 UT для условий зимнего солнцестояния ( а , б ), весеннего равноденствия ( в , г ) и летнего солнцестояния ( д , е )

СОПОСТАВЛЕНИЕ С ДАННЫМИ CHAMP

Спутник CHAMP был запущен 15 июля 2000 г. с наклонением орбиты 87.3° и проводил измерения ne и Te в интервале высот 310÷456 км до 2009 г. [Reigber et al. 2002; Xiong et al., 2013]. Главной особенностью спутника является то, что вследствие несферичности Земли его орбитальная плоскость прецессирует вокруг Земли и в течение приблизительно 130 сут, смещаясь, проходит все сектора местного времени, что позволяет на основе данных спутника изучать пространственно-временные осо- бенности формирования областей повышения Te. Здесь рассмотрены пространственно-временные распределения местоположений повышенных значений Te (пики Te) в субавроральной ионосфере, построенные нами по данным CHAMP [], для разных сезонов и проведено их сопоставление с результатами модельных расчетов.

На рис. 3 показаны типичные широтные профили n e и T e для трех сезонов при умеренной геомагнитной активности. Справа в экваториальной плоскости сплошной линией показаны траектории полета спутника, а стрелки на линиях указывают направление движения спутника. Цифрами 1 и 2 на широтном

Рис. 2. Рассчитанные распределения температуры электронов (в K) на высоте 300 км в 05 и 17 UT для условий зимнего солнцестояния ( а , б ), весеннего равноденствия ( в , г ) и летнего солнцестояния ( д , е )

профиле и соответственно на траекториях полета спутника обозначены положения субавроральной ионосферы, определяемые по экваториальной границе авроральной ионизации и положению провала в широтном ходе ne, а жирными стрелками показаны положения пиков Te в субавроральной ионосфере. На рис. 3, а видно, что в широтном ходе концентрация электронов за терминатором на ночной стороне начинает резко падать вследствие отсутствия эффективных источников ионизации, образуя дневной провал ионизации в субавроральной ионосфере (1), а в послеполуночном секторе спутник пересекает ГИП (2). В области дневного провала и ГИП регистрируются пики Te (жирные стрелки), пре- вышающие 2500 и 6000 K соответственно. В широтных профилях, полученных для равноденственного и летнего сезонов (рис. 3, б, в) из-за освещенности субавроральной ионосферы дневной провал и пики Te на дневной стороне не проявляются. Положения субавроральной ионосферы на дневной стороне показаны по экваториальной границе авроральной ионизации (1). На рис. 3, б, в на ночной стороне наблюдается ГИП с четкими экваториальной и полярной стенками (2), где Te повышена и достигает значений приблизительно 2000 K. Видно, что на ночной стороне субавроральной ионосферы в эти сезоны регистрируются как ГИП, так и пики Te.

Рис. 3. Широтные профили температуры и концентрации электронов (справа) и траектории полета CHAMP (слева), полученные для зимнего ( а ), равноденственного ( б ) и летнего ( в ) сезонов при K _p≈3

Рис. 4. Пространственное распределение пиков T _e (точки) в координатах местное время — географическая широта по данным CHAMP в интервалах 16–19 UT и 04–07 UT для зимних ( а , б ), равноденственных ( в , г ) и летних месяцев ( д , е )

На рис. 4 представлены пространственно-временные распределения пиков Te в субавроральной ионосфере в области ГИП в координатах местное время — географическая широта для зимы (декабрь, январь), равноденствия (март, апрель, сентябрь, октябрь), лета (июнь, июль) в интервалах времени 16– 19 UT и 04–07 UT. Здесь обозначения те же, что на рис. 1. Штриховой линией показано положение терминатора при зенитном угле χ=90°, соответствующее условию зимнего солнцестояния (δ=–23°). Штрих-пунктирная окружность — положение плазмопаузы для 17 UT и 05 UT, как на рис. 1. Как видно из рис. 4, а, в зимние месяцы в интервале 16–19 UT местоположения пиков Te локализованы в серпообразной об- ласти. Далее, в 04–07 UT пики Te обнаружены на субавроральных широтах на всех интервалах LT и они пространственно образуют почти кольцеобразную область с минимумом количества пиков Te в околопо-луденные часы (рис. 4, б).

В равноденственные месяцы пики T e локализованы преимущественно на ночной стороне, формируя серпообразную область (рис. 4, в , г ), причем в 04–07 UT пики T _e регистрируются на широтах, более низких (рис. 4, г ), чем в 16–19 UT, как в случае модельных расчетов вследствие несовпадения полюсов (рис. 2, г ).

В летние месяцы (июнь, июль) количество пиков T _e уменьшается (соответственно четкость зоны).

Они в основном расположены на ночной стороне в 04–07 UT, где серпообразная зона проявляется более четко, чем в 16–19 UT (рис. 4, е ), где субавроральная ионосфера освещена.

Сопоставление результатов модельных расчетов (рис. 2) и измерений T _e на CHAMP (рис. 4) показывает их хорошее качественное согласие как по конфигурации областей повышения T e в разные моменты UT, так и по сезонным особенностям, связанным с условиями освещенности субавроральной ионосферы в разные сезоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование сезонных особенностей формирования областей повышения электронной температуры в субавроральной ионосфере в условиях умеренной геомагнитной активности и потока тепла из плазмосферы на основе сопоставления результатов численного моделирования и данных CHAMP показало следующее:

• •    конфигурации областей повышения T _e в субавроральной ионосфере в разные сезоны существенно различаются и зависят от положения терминатора и от мирового времени вследствие несовпадения географического и магнитного полюсов;

• •    в зимний период в 04–07 UT в субавроральной ионосфере может формироваться кольцеобразная область повышенных значений T e , а в 17 UT — область в виде серпообразной зоны;

• •    в равноденственный и летний периоды области повышения T e в субавроральной ионосфере имеют вид серпообразной зоны различной длины и четкости.

Работа поддержана грантом РФФИ № 18-45-140037р_а и № 18-45-140003р_а.