Расчеты скорости дрейфа ионизации методом Титериджа по результатам, полученным на Иркутском дигизонде

Формирование среднеширотной ионосферы оп ределяется состоянием нейтральной атмосферы и ионизирующим излучением Солнца . При заданном уровне ионизирующего излучения можно выделить три основных аэрономических фактора , опреде ляющих высотное распределение электронной кон центрации в диапазоне от 100 до 400–450 км . Пер вым из них является газовый состав . Он характеризу ется главным образом соотношением концентраций атомных и молекулярных газовых частиц . Второй фактор – вертикальные движения заряженной компо ненты , третий – температура нейтрального газа .

Предметом настоящего исследования является получение информации о дрейфе ионизации в ионо сфере из измерений высоты ионосферного слоя F2 путем зондирования ионосферы с помощью цифро вого ионозонда ( дигизонда ).

С первых лет начала зондирования ионосферы перед исследователями стоит задача получения зна ний о верхней атмосфере на базе данных об ионо сфере . В частности , оценки скорости дрейфа элек тронно - ионного газа приводят к получению данных о меридиональном ветре в нейтральной среде , который является основной причиной обсуждаемого дрейфа . Решение такой задачи стало реальным в последнее время в связи с регулярными измерениями в ионосфе ре с помощью дигизонда , обеспечивающего система тическое получение необходимой информации .

В течение трех последних десятилетий предпринимаются усилия по оценке скорости вертикального дрейфа из данных по измерениям высоты максимума слоя F2 (hmF2) [1, 4, 5]. Параметр hmF2 является наиболее подходящей для этого величиной [1]. Целью настоящей работы является, во-первых, апробация описанного метода и, во-вторых, получение сведений о суточных вариациях вертикального дрейфа скорости ионизации V и скорости горизон- тального меридионального ветра на основании материала ионосферных измерений в Иркутске при низкой солнечной активности.

О методе расчета вертикального дрейфа иони зации

В целях решения поставленной задачи использу ется методика , предложенная в работе [1]. Метод позволяет получать оценки скорости движения иони зации V , не прибегая к сложным вычислениям , с помощью модели , описывающей временные вариа ции ионосферы с учетом практически полных данных о физико - химических процессах в изучаемой среде .

Методика оценки V по данным о h m F2 базируется на идее о смещении вертикальным дрейфом высоты максимума слоя относительно уровня равновесного состояния ( h 0 ) при действии процессов диффузии электронно - ионного газа и рекомбинационных процессов . Такая высота ( h 0 ) определяется уравни ванием характерных времен жизни заряженных частиц за счет процессов диффузии ( τ D ) и реком бинации ( τ R ) [6, 7].

Титеридж [1] разработал метод расчета верти кального дрейфа ионизации при использовании ана литической аппроксимации суточного хода величи ны отношения R =( τ D )/( τ R ). Такая аппроксимация получена путем анализа большого объема вычисле ний с помощью « полной » ионосферной модели , описывающей временные вариации . Расчеты были проведены для различных гелиогеофизических ус ловий , что и позволило разработать указанную ана литическую модель . Скорость вертикального дрей фа V оценивается по различию уровней наблюдае мого реального слоя F2 и высоты h 0 . Оценка указан ного выше отношения для высоты h m F2 проводится по данным о состоянии нейтрального газа из модели термосферы [2].

Л . А . Щепкин , Г . М . Кузнецова , Г . П . Кушнаренко , К . Г . Ратовский

Сравнение расчетов с эмпирической моделью

Прежде всего , необходимо провести тестирова ние полученных расчетов скорости дрейфа иониза ции . Для этого мы воспользовались эмпирической моделью горизонтальных нейтральных ветров HWM-91 [3]. Рассчитанные скорости V вначале пересчитывались в скорости меридионального горизонтального ветра W , для чего использова лось соотношение W = V /(sin I cos I ), где I – угол маг нитного наклонения ( в Иркутске I = 72°). Получен ные таким образом величины W сравнивались с ана логичными значениями W 1 из модели HWM-91.

Мы использовали в качестве исходных данных месячные медианные значения h m F2, полученные с помощью дигизонда DPS-4 в Иркутске (52° N, 104° S) в Институте солнечно - земной физики СО РАН в 2003–2006 гг .

Для многих месяцев указанного периода получе но разумное согласие наших расчетов с моделью HWM-91. Приведены примеры для января 2003 г ., для декабря 2006 г . и для марта 2003 г . ( рис . 1–3). Видно согласие в форме суточного хода между оцененными по данным о высоте слоя F2 и модельными скоростя ми меридионального ветра . Имеет место также хоро шее совпадение абсолютных значений W и W 1.

Однако описанное согласие нарушается в лет ние месяцы , когда имеет место существенное раз личие в ночных значениях W и W 1. По абсолют ной величине в районе полуночи различие между W и W 1 достигает значений 100–150 м / с . Можно также отметить , что и в другие сезоны различие в абсолютных значениях сравниваемых величин больше в ночные часы , чем в дневные . В настоя щее время не ясна причина обсуждаемых разли чий . Проявился недостаток используемой методи ки и в больших значениях в суточном ходе скорости вертикального дрейфа ионизации в часы , близкие к моментам восхода и захода Солнца . На рис . 1–3 та кие значения сглажены путем интерполяции .

Сезонные изменения суточного хода скорости дрейфа ионизации

Приведем суточные вариации значений V для четырех сезонов года: зимы (январь, февраль, ноябрь, декабрь), весны (март и апрель), лета (май–август) и осени (сентябрь и октябрь). Такие данные представлены на рис. 4 в виде значений, усредненных для двух январь 2003 г.

Рис . 1. Суточные изменения скорости горизонтального меридионального ветра W ; W 1 – значения по модели [3] ( январь 2003 г .).

лет – 2004 и 2005 г . В этот период среднемесячные значения индекса солнечной активности F _10.7 изме нялись от 110 до 90. Таким образом , рассматривае мый период является типичным для пониженной солнечной активности .

Из рис. 4 видно, что самой общей чертой суточных вариаций скорости вертикального дрейфа является направленное вверх движение ионов ночью и сравнительно небольшое, несколько метров в секунду декабрь 2006 г.

-20

0       6      12      18

час , LT

Рис . 3. Суточные изменения скорости горизонтального меридионального ветра W ( ряд 1); W 1( ряд 2) – значения по модели [3] ( март 2003 г .).

час , LT

час , LT

час , LT

Рис . 4. Суточные вариации скорости вертикального дрейфа V для 4- х сезонов : а – зима ; б – весна ; в – лето ; г – осень . Данные усреднены для 2- х лет , 2004 г . и 2005 г .

Рис . 2. Суточные изменения скорости горизонтального меридионального ветра W ( ряд 1); W 1( ряд 2) – значения по модели [3] ( декабрь 2006 г .).

март 2003 г .

Расчеты скорости дрейфа ионизации методом Титериджа по результатам, полученным на Иркутском радаре НР или близкое к нулю, движение ионов в дневные часы. Это соответствует горизонтальному движению нейтрального ветра в меридиональной плоскости от полюса к экватору в ночное время и обратному направлению движения днем. Отметим, что дрейф ионов, прежде всего, является следствием движений нейтрального газа в системе крупномасштабной циркуляции в термосфере. Последние увлекают за собой ионы посредством действия механизма ионного торможения ветра. Кроме того, накладываются эпизодические, величиной порядка 10 м/с, дрейфовые движения, обусловленные появлением зональных электрических полей [1]. В результате обсуждаемые оценки скоростей дрейфа в общем случае состоят из этих двух компонент.

Амплитуда суточного хода наибольшая зимой и наименьшая летом . Обращает на себя внимание то , что суточный ход осенью имеет большее сходство с зимним , чем с летним . Такой же эффект отмечается в работе [8] при анализе результатов измерений ско рости дрейфа на высоте 300 км методом некоге рентного рассеяния радиоволн в Миллстоун Хилл ( США ). Автор считает это обстоятельство свиде тельством того , что сезонная перестройка крупно масштабной циркуляции от летнего типа к зимнему происходит в период , близкий к сентябрьскому рав ноденствию .

Заключение

Можно отметить, что в нашем случае метод Ти-териджа оценки скорости вертикального дрейфа по высоте максимума слоя F2 дает приемлемые результаты, по крайней мере, для дневного времени суток. Это следует из сравнения расчетов с эмпирической моделью [3]. Амплитуда суточного хода наибольшая в зимнее время года, а наименьшая – летом. Осенью суточный ход имеет большее сходство с зимним изменением, чем с летним. Представленные результаты носят предварительный характер и нуждаются в дальнейших уточнениях и в более подробном и тщательном изучении в различных аспектах.