Диагностическая модель E-слоя авроральной ионосферы
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 4
Глава 1. Структура модели AIM-E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.1 Фотоионизация в E-слое ионосферы крайним ультрафиолетовым
излучением Солнца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.1.1 Расчет концентрации нейтральных компонент. . . . . . . . . . . 20
1.1.2 Сечения фотоионизации и сечения поглощения фотонов. . 21
1.1.3 Расчет функции Чепмена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.4 Задание потока фотонов с длиной волны λ на верхней
границе атмосферы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.5 Применение данных спутника TIMED при расчете
фотоионизации в модели AIM-E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.1.6 Аппроксимация потока фотонов с использованием
индексов солнечной активности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.7 Построение модели крайнего УФ по данным спутника
TIMED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 30
1.2 Расчет скорости корпускулярной ионизации . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
1.2.1 Задание источника корпускулярной ионизации в модели
AIM-E по измерениям потока электронов на
низкоорбитальных спутниках … . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.2 Задание источника корпускулярной ионизации в модели
AIM-E по расчетам эмпирической модели высыпаний. . …. 38
1.2.3 Использование геомагнитного индекса PC в качестве
входного параметра в модель авроральной ионосферы … . . 39
1.3 Блок аэрономии. Система уравнений неразрывности и
математический метод решения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 42
1.3.1 Блок аэрономии и система уравнений неразрывности. . . … 42
1.3.2 Математический метод решения системы уравнений
неразрывности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 46
1.3.3 Тестирование метода решения системы ОДУ. . . . . . . . . . … 49
Выводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 55
Глава 2. Апробация модели AIM-E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 56
2.1 Использование модели AIM-E для оценки параметров
регулярного E-cлоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 56
2.2 Расчет вертикального распределения электронной концентрации
вдоль траектории низкоорбитального спутника……………………. 61
2.3 Глобальное распределение ионосферного состава AIM-E с
использованием модели OVATION-Prime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . … 64
2.4 Применение AIM-E с OVATION-Prime (PC) в качестве входного
параметра для расчетов в авроральной зоне. . . . . . . . . . . …………. 68
2.5 Оценка применимости расчетов модели AIM-E при наличии
спорадических слоев различных типов в авроральной зоне. . . . . 73
Выводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Глава 1 описывает основную структуру и краткое содержание основных блоков модели AIM-E. В ней представлена общая схема модели и приведены входные параметры модели AIM-E, а также величины, которые по ней можно
Входные параметры модели AIM-E:
Дата и время
Географические Координаты
Высота
Автоматически рассчиты- ваемые параметры:
Солнечное КУФ излучение: спутниковые данные или модель AIM-UV
Выходные параметры мо- дели AIM-E:
Концентрация малых нейтральных компонент: NO, N(4S), N(2D)
Высота максимума E-слоя
Параметры нейтральной атмосферы: модель NRLMSISE-00
Концентрация ионов:
N+, N2+, NO+, O2+, O+(4S), O+(2D), O+(2P)
Спектр высыпающихся электронов: спутниковые данные или модель OVATION-Prime
Концентрация электронов Ne, Критическая частота E-слоя fOE
Раздел 1.1 посвящен описанию блока расчета скорости фотоионизации в E- слое ионосферы крайним ультрафиолетовым излучением Солнца (5–121.6 нм), которое является основным источником ионообразования в дневное время в ин- тервале высот от 90 до 140 км.
В разделе рассматривается расчет концентрации нейтральных компонент. Также приводятся сечения поглощения ( ) и ионизации ( ) нейтралов O, N, O2, N2, NO и вероятности ионизации в электронные состояния ионов атомарного кис- лорода O+(4S), O+(2D), O+(2P). Описывается расчет функции Чепмена, характери- зующей высотную зависимость ослабления потока фотонов за счет поглощения при прохождении атмосферы Земли [25, 26]. В модели AIM-E реализован расчет функции Чепмена для зенитных углов вплоть до 103o, что существенно для авро- ральной ионосферы.
Модель AIM-E предназначается для круглосуточного и круглогодичного мониторинга ионосферных параметров. В связи с этим расчет солнечного
излучения требует детальной проработки. В модели ионосферы AIM-E реализо- ваны два различных способа получения потока фотонов на верхней границе атмо- сферы: (1) расчет потока фотонов с использованием индексов солнечной актив- ности по эмпирической модели и (2) с использованием прямых спутниковых из- мерений в различных каналах крайнего ультрафиолетового излучения.
Показана возможность применения данных спутника TIMED SEE level 3A [27] в качестве источника фотоионизации. Прямые измерения энергетического спектра фотонов, обеспечиваемые космическими аппаратами TIMED каждые 97 минут, могут использоваться для исследования ионосферных эффектов от экстре- мальных явлений космической погоды, например, во время солнечных вспышек.
Произведена оценка применимости модели EUVAC для расчета спектра солнечного крайнего УФ излучения в ходе которой было выполнено сопоставле- ние модельных значений потока фотонов с измерениями спутника TIMED (IT). Показано, что по модели EUVAC происходит систематическая недооценка потока фотонов примерно на 40% [A2] и модель EUVAC не может быть использована для аэрономических расчетов в существующем виде и требует дополнительной корректировки. Существенным минусом модели EUVAC также является невоз- можность производить расчеты в режиме реального времени или прогноза из-за особенностей входных параметров.
Создана новая эмпирическая модель крайнего ультрафиолетового излуче- ния Солнца AIM-UV. Был использован большой объем данных спутника TIMED SEE, с 2002 по 2019 гг. с временным разрешением 1.5 часа и разрешением по длине волны 1 нм. Распределение величины потока фотонов IT от величины ра- диоизлучения на длине волны 10.7 см могут быть описаны регрессионными урав- нениями второго порядка IT=P1∙F10.72+P2∙F10.7+P3. В Разделе 1.1.7 приведены ре- грессионные коэффициенты P1, P2 и P3, а также значение коэффициента корреля- ции (CC) между IT и индексом F10.7 и величина среднеквадратического отклоне- ния (σ) данных TIMED для каждого интервала спектра.
Приведенные в Разделе 1.1.7 коэффициенты использованы для создания эм- пирической модели AIM-UV. Ее применение при расчете фотоионизации в
модели AIM-E позволяет обеспечить высокую точность расчетов для оператив- ной оценки параметров регулярного слоя E с использованием суточного индекса F10.7 в качестве входного параметра. Также ввиду того, что временной ряд изме- рений суточного радиопотока F10.7 доступен непрерывно с 1947 года (в течение семи солнечных циклов), данный режим модели AIM-E может быть использован при проведении климатических исследований ионосферы.
Раздел 1.2 посвящен расчету скорости корпускулярной ионизации в модели AIM-E. В авроральной зоне структуру ионосферы и динамику протекающих в ней процессов определяет не только коротковолновое излучение Солнца, но и потоки высыпающихся частиц магнитосферного происхождения. В ночное время корпус- кулярные потоки являются основным источником ионизации в E-слое. В возму- щенные периоды, такие как магнитосферные бури и суббури, величина электрон- ной концентрации, связанная с высыпающимися электронами, может на не- сколько порядков превышать количество электронов образовавшихся за счет про- цессов фотоионизации. Скорости образования ионов при ионизации атмосферных нейтралов авроральными электронами рассчитываются с использованием под- хода, описанного в работе [28].
Показана возможность задания источника корпускулярной ионизации в мо- дели AIM-E по измерениям потока электронов на низкоорбитальных спутниках и по расчетам эмпирической модели OVATION-Prime.
Обосновано использование геомагнитного индекса PC [29] в качестве вход- ного параметра в эмпирическую модель высыпаний OVATION-Prime [30] при проведении ионосферных расчетов. Показано, что во время сильных магнитных возмущений и усиления электрического поля в межпланетной среде (PC > 2 мВ/м), интенсивность высыпания частиц из магнитосферы в E область вы- сокоширотной ионосферы может быть характеризована величиной геомагнит- ного индекса PC. Также, во время слабых магнитных возмущений (PC < 2 мВ/м), кратковременные импульсы увеличения значения PC-индекса, вызванные измен- чивостью электрического поля в магнитосфере являются основным индикатором появления спорадических слоев Es [A3].
Раздел 1.3 посвящен разработке модуля аэрономических расчетов, системе уравнений неразрывности и математическому методу ее решения [A1]. Были со- ставлены уравнения неразрывности для 7-ми видов ионов и 3-х малых нейтраль- ных компонент с учетом 39 ионно-химических реакций, также приведенных в данном разделе. Эти 10 уравнений сводятся в одну систему обыкновенных диф- ференциальных уравнений (ОДУ). Скорости химических реакций, которые вхо- дят в систему уравнений в качестве коэффициентов, различаются более чем на 10 порядков величины. Такие системы ОДУ называются жесткими и требуют ис- пользования специальных математических методов. В данной работе использу- ется метод Гира 4-го порядка точности [31; 32], который представляет собой ли- нейный неявный многошаговый метод типа «предиктор-корректор». Особенно- стью и достоинством этого метода является возможность подстройки размера шага численного интегрирования с учетом скорости изменения решения системы в данный момент времени. Для определения точности метода, реализованного для решения системы ОДУ, и определения преимуществ, связанных с необходимыми вычислительными ресурсами, проведено два вида сопоставления: а) решение жесткой системы ОДУ химической кинетики и сравнение результатов с извест- ным решением; б) сравнение эволюции решений с решениями, полученными дру- гими методами.
В Главе 2 проведено тестирование модели AIM-E и рассмотрены четыре примера использования модели для различных геомагнитных условий с исполь- зованием различных входных параметров.
В Разделе 2.1 проведен анализ возможности использования модели для рас- четов и мониторинга параметров регулярного слоя E. Было проведено сопостав- ление результатов моделирования с данными вертикального зондирования всех действующих российских арктических станций ААНИИ. В обработку вошло 1932 ионограммы вертикального зондирования, из которых было получено 1364 значе- ния критической частоты регулярного E-слоя. Для каждой станции и момента наблюдений по AIM-E были рассчитаны высотные профили электронной концен- трации в диапазоне высот 90–140 км с шагом 1 км с использованием модели край- него УФ AIM-UV.
Рис. 1. Сравнение данных вертикального зондирования и результатов модели AIM-E с исполь- зованием эмпирических закономерностей, полученных по данным спутника TIMED (AIM-UV). A – минимум солнечной активности, B – максимум солнечной активности. Черная линия соот- ветствует прямой y=x.
Сопоставление критических частот, измеренных на арктических станциях вертикального зондирования и результатов модели AIM-E с использованием эм- пирических закономерностей по данным спутника TIMED (AIM-UV) для мини- мума (Рис. 1 A) и максимума (Рис. 1 В) солнечной активности показало, что мо- дель позволяет производить расчеты параметров регулярного слоя с высокой точ- ностью: коэффициент корреляции между данными вертикального зондирования и модельными значениями для минимума солнечной активности составляет CCmin=0,98, а для максимума CCmax=0,99.
В Разделе 2.2 представлен расчет высотных профилей электронной концен- трации вдоль траектории спутника REIMEI [33] в период интенсивных высыпа- ния электронов 5 декабря 2007 г. [A1]. При пересечении овала полярных сияний REIMEI пролетал над радаром EISCAT [34] в 0:36:36 UT, что позволило количе- ственно оценить точность расчетов модели AIM-E (отклонение расчетной элек- тронной концентрации от измеренной радаром не превышает 10%).
Раздел 2.3 демонстрирует возможность проведения расчетов электронной концентрации во всей авроральной зоне с использованием разработанной модели AIM-UV и модели высыпаний OVATION-Prime с данными солнечного ветра в ка- честве входного параметра. Представлены карты распределения величины элек- тронной концентрации в максимуме E-слоя для двух моментов времени. Первый момент (5:00 UT, 17 марта 2013 г.) соответствует спокойным геомагнитным усло- виям, а второй (17:00 UT, 17 марта 2013 г.) – главной фазе геомагнитной бури с понижением индекса SYM-H до –130 нТл и возрастанием AE-индекса до ≈2700 нТл. Показано, что модель AIM-E позволяет получить пространственное распределение ионосферных параметров во всей авроральной зоне в различных геомагнитных условиях. Использование эмпирической модели OVATION-Prime, основанной на среднечасовых значениях параметров солнечного ветра, позволят оценить динамику распределения ионосферных параметров E-слоя авроральной ионосферы на временных масштабах геомагнитной бури (часы и дни) [A1].
В Разделе 2.4 представлено сопоставление расчетов по AIM-E+OVATION- Prime (PC) c данными радара некогерентного рассеяния EISCAT и моделью CTIPe [35].
Для оценки применимости расчетов модели AIM-E с OVATION-Prime (PC) в возмущенных геомагнитных условиях, проведено сопоставление расчетов элек- тронной концентрации c данными радара некогерентного рассеяния EISCAT во время возмущенных геомагнитных условий 18 января 2007 г., 18:30–23:00 UT. Данный временной интервал включает две суббури (Рис. 2 А).
Дифференциальные потоки электронов были восстановлены с использова- нием величин потока и средней энергии, полученных по модели OVATION- Prime (PC) с учетом диффузных и моноэнергетических высыпаний. Временной ход восстановленного дифференциального потока электронов в диапазоне энер- гий от 300 эВ до 10 кэВ, который был использован при дальнейшем моделирова- нии AIM-E, показан на рисунке 2 B.
Рис. 2. А — изменение геомагнитных индексов PC (синий цвет) и AE (красный цвет); Б — Дифференциальный поток частиц для диффузных и моноэнергетических высыпаний электро- нов (300 эВ—10 кэВ), восстановленный по данным OVATION-Prime (PC) за 18 января 2007 г., 18:30—23:00 UT для координат радара EISCAT, Тромсе.
Расчеты AIM-E (PC) проводились для координат радара некогерентного рассеяния EISCAT, г. Тромсё (69° 35' с.ш., 19° 13' в.д.) в диапазоне высот 96—140 км с шагом по высоте 1 км и временным разрешением 1 мин (Рис. 3 B). На Рис. 3 А показана эволюция электронной концентрации в диапазоне высот 96–140 км, измеренная радаром некогерентного рассеяния UHF EISCAT. Временные интер- валы повышенной концентрации электронов, наблюдаемые радаром и получен- ные с помощью AIM-E (PC), хорошо совпадают. Также в обоих случаях (реальные измерения и модель) наблюдается увеличение электронной концентрации от фо- новых значений (1∙1011 м–3) до примерно 3∙1011 м–3 в периоды суббурь.
Рис. 3. Изменение вертикального распределения концентрации электронов в диапазоне высот 96–140 км для события 18 января 2007 г., 18:30–23:00 UT, измеренное радаром некогерентного рассеяния EISCAT (A) и рассчитанное по моделям AIM-E (B) и CTIPe (C). На панели D пока- зано интегральное значение электронного содержания слоя E (eTEC), рассчитанное в верти- кальном столбе в диапазоне высот 96–140 км для радара некогерентного рассеяния EISCAT (синяя линия — средние значения за 1 мин наблюдений; синие кружки — средние значения за 10 мин наблюдений), модели AIM-E (розовая линия — минутные значения; розовые кружки — 10-минутные средние значения) и для модели CTIPe 15-минутные результаты (черная линия).
Чтобы сравнить модель и данные радара некогерентного рассеяния было рассчитано интегральное содержание электронов в интервале высот 96–140 км (далее eTEC) (Рис. 3 D). Коэффициент корреляции между минутными значениями eTEC по модели AIM-E (PC) и EISCAT составляет CC1min=0.63. При 10-минутном осреднении коэффициент корреляции увеличивается до CC10min=0.78, что явля- ется хорошим результатом для локальных расчетов в авроральной зоне в период суббури. Показано, что моделирование электронной концентрации ионосферы по модели AIM-E (PC) позволяет оценить «фоновое» электронное содержание слоя E, в то время как тонкая структура возмущенного овала, измеренная радаром EISCAT (Рис. 3 A), не может быть воспроизведена в подобном «климатическом» режиме проведения расчетов.
Для понимания возможностей AIM-E (PC) по сравнению с другими моде- лями высокоширотной ионосферы было проведено моделирование события, опи- санного выше (18 января 2007 г., 18:30–23:00 UT), с использованием модели ионо- сферы CTIPe (Рис. 3 С), доступной для расчетов по заказу на сайте Community Coordinated Modeling Center (CCMC) [36].
Модель CTIPe с 15-минутными входными параметрами солнечного ветра, а также модель AIM-E (PC) достаточно хорошо качественно и количественно опи- сывают динамику ионосферы в месте расположения EISCAT. Модель CTIPe лучше воспроизводит вертикальную структуру электронной концентрации обла- сти E для первой суббури. Однако для второго возмущенного интервала (после 22:00 UT) расчеты модели AIM-E (PC) лучше согласуются с данными EISCAT.
Это также подтверждается вариацией интегральной электронной концентрации, показанной на Рис. 3 D. Однако для первой суббури максимум электронной кон- центрации по модели CTIPe наблюдается с 20:00 до 20:45, а по данным EISCAT и модели AIM-E наблюдается рост Ne во временном интервале с 19:30 до 20:00. Лучшее таймирование в модели AIM-E обеспечивается за счет использования наземного индекса PC (вместо функции Ньюэлла, основанной на измерениях сол- нечного ветра), который немедленно реагирует на проникновение энергии сол- нечного ветра в ионосферу.
В Разделе 2.5 показана применимость модели AIM-E при наличии различ- ных типов спорадических слоев в авроральной зоне. Была рассмотрена изолиро- ванная суббуря, произошедшая между 23:00 UT 19 мая и 04:00 UT 20 мая 2019 года. В ходе этой суббури, по данным вертикального зондирования было зафик- сировано наличие плоского слоя типа f и толстого спорадического слоя типа r на ст. Горьковская (GRK), Ловозеро (LOZ) и в центральной точке радиотрассы Горь- ковская–Ловозеро (GRK–LOZ).
В модели AIM-E не учитываются эффекты дрейфа частиц, поскольку пред- полагается, что эффекты переноса пренебрежимо малы для ионосферы в E-обла- сти высоких широт [37]. Модель хорошо воспроизводит только появление спора- дических слоев обусловленных высыпаниями электронов. Однако проведенный анализ показывает, что для подробного описания формирования спорадических слоев различных типов необходимо учитывать такие процессы как перенос нейтральным ветром и дрейф за счет электрического поля, а также наличие ме- таллических ионов в высокоширотном E-слое. Данные работы планируется про- вести при дальнейшей разработке модели AIM-E.
В Заключении приведены основные результаты работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Создана численная модель E-слоя высокоширотной ионосферы Земли (включая сильно изменчивую авроральную область) AIM-E, применимая для рас- чета концентрации малых нейтральных компонент NO, N(4S), N(2D), ионов N+, N2+, NO+, O2+, O+(4S), O+(2D), O+(2P) и электронов Ne с учетом их взаимодействий в 39 химических реакциях. Реализовано численное решение системы обыкновен- ных дифференциальных уравнений (ОДУ) для малых нейтральных компонент и ионов с использованием высокопроизводительного метода Гира. Модель приме- нима в диапазоне высот от 90 до 140 км на широтах выше 60°.
2. В модель включены блоки фото– и корпускулярной ионизации, что позво- ляет производить диагностику состояния E-слоя освещенной и неосвещенной вы- сокоширотной ионосферы при различных уровнях солнечной и геомагнитной ак- тивности. В операционном режиме входные параметры модели – спектры экстре- мального УФ и высыпающихся электронов – могут быть альтернативно заданы как эмпирическими зависимостями, так и прямыми спутниковыми измерениями. Все блоки модели высокоширотной ионосферы AIM-E объединены общим интер- фейсом, что обеспечивает простое и быстрое управление моделью.
3. Используя данные спутниковых наблюдений за полный солнечный цикл, разработана новая эмпирическая модель спектра экстремального УФ излучения AIM-UV, и успешно интегрирована в модель ионосферы AIM-E.
4. Режим расчетов AIM-E с интеграцией эмпирической модели высыпаний электронов OVATION-Prime позволяет осуществлять постоянный мониторинг E- слоя всей авроральной ионосферы в реальном времени.
5. Протестировано использование PC-индекса в качестве входного параметра в эмпирическую модель высыпаний электронов OVATION-Prime для ионосфер- ных расчетов. Использование PC-индекса позволяет учитывать геоэффективность солнечного ветра, и обеспечивает более точный тайминг изменения электронной концентрации, что особенно важно в периоды геомагнитных бурь и суббурь. По- казано, что модель AIM-E (PC) может быть успешно использована для определе- ния электронной концентрации в авроральных широтах.
6. Сопоставление критических частот регулярного E-слоя в российском сек- торе Арктики, полученных на станциях вертикального зондирования и рассчитан- ных по AIM-E, показало высокую точность модельных расчетов (CC=0.98). Ис- пользуя прогноз индекса солнечного излучения F10.7, модель AIM-E может быть использована для осуществления прогноза параметров регулярного слоя E в вы- соких широтах.
7. Произведена апробация модели AIM-E в условиях интенсивных высыпаний электронов с использованием спектров энергии электронов, измеренных низкоор- битальным спутником REIMEI. Сопоставление расчетного вертикального про- филя электронной концентрации с измеренным радаром некогерентного рассея- ния EISCAT, показывает хорошую точность модельных расчетов (отклонение в пределах 10%).
8. Сопоставление расчетов модели AIM-E с данными вертикального зондиро- вания ионосферы показало, что модель хорошо воспроизводит появление спора- дических слоев обусловленных высыпаниями электронов. Как и предполагалось, модель не может воспроизводить другие типы спорадических слоев. Для более полного описания процессов, происходящих в авроральной ионосфере Земли, необходимо включить в модель физику, учитывающую процессы переноса ча- стиц.
Диссертация посвящена созданию и тестированию диагностической
стационарной модели E-слоя авроральной ионосферы Земли (φ > 60°), применимой
для расчета концентрации малых нейтральных компонент NO, N(4S), N(2D), ионов
N+, N2+, NO+, O2+, O+(4S), O+(2D), O+(2P) и электронов Ne в режиме реального
времени, позволяющей производить диагностику ее состояния в дневное и ночное
время, при различных уровнях солнечной и геомагнитной активности (в т.ч.
применимой для описания геомагнитных бурь и суббурь).
Актуальность исследования
В настоящее время большое количество научных исследований
сфокусировано на космической погоде – влиянии космических факторов на
техническую, промышленную, экономическую деятельность человека.
Исследование, прогнозирование и диагностика космической погоды в режиме
реального времени являются наиболее актуальными прикладными задачами
современной физики ближнего космоса [76; 104; 105; 124; 153; 156]. При изучении
солнечно-земных связей рассматривается совокупность всех возможных
взаимодействий гелио- и геофизических явлений, оказывающих воздействие на
магнитосферу, ионосферу и атмосферу Земли. Ионосфера – это проводящая
область атмосферы Земли на высотах от 50 до 1000 км, содержащая частично
ионизованную холодную плазму [2]. Для описания состояния ионосферы широко
применяются как регулярные наземные и спутниковые измерения, так и модельные
расчеты ионосферных параметров.
Ионосфера условно разделяется на несколько областей, отличающихся по
характеру взаимодействия с магнитосферой и околоземным пространством,
составу и механизму формирования.
Полярные сияния, регистрируемые в авроральной зоне на высотах области E
ионосферы (90–140 км), являются первичными индикаторами космического
воздействия на нашу планету. Помимо ионизации крайним ультрафиолетовым
излучением Солнца, в высоких широтах большую роль играют эффекты
высыпаний энергичных электронов 1–10 кэВ из магнитосферы, отдающих свою
энергию в E-слое [4]. Корпускулярные процессы занимают особое место в
ионосферно-магнитосферных взаимодействиях, поскольку именно на высотах E-
области образуются ионосферные токи, связанные продольными токами с
магнитосферой и ответственные за разнообразные геомагнитные вариации. Кроме
того, в этом высотном интервале проводимости Холла и Педерсена достигают
своего максимума. Их количественная оценка, вместе с величиной электрического
поля, позволяют производить оценку продольных токов, что является важной
задачей ионосферно-магнитосферного взаимодействия. Знание системы
продольных токов, их динамики во время магнитосферных возмущений и способа
генерации, необходимо для понимания процессов, происходящих в магнитосфере
[12; 36; 64; 91; 158].
Также, нестационарная динамика спорадических высыпаний заряженных
частиц магнитосферного происхождения в E-слое может приводить к быстрому
изменению условий распространения радиоволн [21]. Диагностика и
прогнозирование коротковолновых (КВ) радиотрасс в высоких широтах является
сложной задачей современной геофизики, требующей модельных расчетов.
Нижняя ионосфера (области D и Е) самым тесным образом связана с
атмосферой Земли [98] и, наряду с грозовой активностью, является составной
частью глобальной электрической цепи (ГЭЦ). Исследования ГЭЦ позволяют
устанавливать взаимосвязь космической погоды и климата [34; 78; 117] Во время
геомагнитных возмущений E-слой авроральной ионосферы занимает важное место
в структуре ГЭЦ и вносит существенный вклад в величину атмосферного
электрического поля в высоких широтах [10; 28; 40]. Потенциал электрического
поля в Е-слое ионосферы является верхним граничным условием при построении
моделей атмосферного электричества [6].
Динамическая система электрических токов, возникающая в E-слое во время
сильных магнитосферных возмущений, способна формировать паразитные
индуцированные токи в длинных технологических сооружениях на поверхности
Земли: линиях связи, электрических энергосистемах и трубопроводах [15; 65; 101;
102; 128].
Для всех перечисленных выше теоретических и практических проблем,
необходимо знать количественные характеристики ионосферы (такие как:
величины концентраций малых нейтралов, ионов и электронов), с временным и
пространственным разрешением, сопоставимыми с процессами, происходящими
во время магнитосферных возмущений. Модели E-слоя авроральной ионосферы
являются крайне востребованным исследовательским инструментом. Несмотря на
широкое развитие математического моделирования ионосферы, на данный момент
не существует модели E-слоя авроральной зоны, применимой для оценки основных
ионосферных параметров в режиме реального времени.
Обзор литературы
E-слой ионосферы Земли в авроральной зоне является одним из основных
индикаторов солнечного воздействия на нашу планету. Спутниковые и наземные
ионосферные наблюдения имеют ограниченное временное и пространственное
разрешение, поэтому возникает необходимость в математическом моделировании.
Моделирование широко используется для анализа состояния ионосферы при
различных геофизических условиях и позволяет количественно оценивать
различные ионосферные параметры и их пространственно-временные вариации. В
зависимости от задач моделирования, этими параметрами являются электронная
концентрация, ионный состав, температура ионов и электронов, скорость ионов и
другие. Модели ионосферы различаются по ряду разнообразных характеристик:
точность вычислений, временное и пространственное разрешение,
вычислительные затраты (мощность процессора, память и т. д.), область
применимости и доступность для использования. В литературе описан ряд
различных моделей ионосферы, но следует отметить, что не существует
универсального подхода, который одновременно удовлетворял бы всем
требованиям. Решение, какую модель использовать, зависит от целей
исследования, вычислительных ресурсов и доступности входных данных. Обзор
современных ионосферных моделей можно найти в работе [119].
Глобальные численные модели ионосферы
Модели E-области, в большинстве случаев, являются частью моделей
глобальной ионосферы или верхних слоев атмосферы. Глобальные теоретические
модели ионосферы представляют собой сложный комплекс программ для решения
нелинейных систем уравнений, содержащих взаимосвязанные уравнения разных
типов. Следует отметить, что не все глобальные модели, рассчитывающие слой E,
получают достоверные результаты в высоких широтах. Более высокая точность
достигается за счет использования данных по высыпаниям частиц, интегральной
мощности высыпаний в полушарии, распределения электрического поля в
ионосфере, потенциала поперек полярной шапки и прочих эмпирических данных в
качестве входных параметров. В зависимости от задаваемых условий, глобальные
модели могут воспроизводить вариации ионосферных параметров, связанные с
циклами солнечной активности, сезонным и суточным ходом, и геомагнитными
возмущениями. Расчеты по таким моделям занимают длительное время и требуют
суперкомпьютеров для глобальных симуляций. Следовательно, такого рода модели
подходят для решения теоретических задач или для тематических исследований,
но не для мониторинга ионосферы в реальном времени. Так, например, расчет
ионосферных характеристик на 10 дней с часовым разрешением по модели USU
TIME-DEPENDENT MODEL OF THE GLOBAL IONOSPHERE [121; 122],
доступной онлайн, займет около недели. Поэтому такие модели, при условии
соответствующих входных данных, хорошо подходят для решения различных
глобальных теоретических задач [30] или для исследования физических
механизмов исторических событий [45], а не для практического использования и
диагностики состояния ионосферы в режиме реального времени.
В модели “The Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere
Electrodynamics Model (CTIPe)” [42; 80] уравнения переноса, энергии и
неразрывности для нейтральной термосферы решаются самосогласованно с
моделью ионосферной конвекции в высоких и средних широтах. Модель включает
аэрономию, гравитационные взаимодействия, ион-ионные и ион-нейтральные
соударения, а также перенос за счет электромагнитного дрейфа. Важным входным
параметром высокоширотной ионосферы этой модели является величина
интегральной мощности высыпаний в полушарии, которая рассчитывается по
данным солнечного ветра со спутника ACE. Основная проблема использования
данного входного параметра, заключается в том, что измерения, проводимые в
точке либрации, не всегда характеризуют геоэффективный солнечный ветер. В
связи с этим могут возникать существенные неточности во времени и величине
ионосферного отклика на магнитосферные возмущения (бури, суббури). Для
расчетов по модели CTIPe интегральная мощность высыпаний интерполируется на
двенадцатиминутную временную сетку. Такого временного разрешения
недостаточно для описания динамических процессов, происходящих во время
спорадических магнитосферных возмущений типа суббури. Данная модель
доступна в режиме реального времени и используется в ежедневном прогнозе
Центра космической погоды NOAA для иллюстрации глобальной конфигурации
ионосферы – полного электронного содержания и оценки потенциального
неблагоприятного влияния текущей обстановки на GPS системы [26; 155].
В глобальной модели NCAR THERMOSPHEREIONOSPHERE-
ELECTRODYNAMICS GENERAL CIRCULATION MODEL (NCAR TIE-GCM) [35;
106; 107; 115] высыпания частиц также задаются при помощи параметра
авроральной интегральной мощности высыпаний, но в данном случае он
рассчитывается по 3-х часовому Kp индексу, что не удовлетворяет
диагностическим целям и не описывает динамику системы на масштабе суббурь.
Из ионосферных моделей, специализирующихся на высоких широтах,
хотелось бы отметить AFRL TRANSPORT MODEL FOR THE ELECTRON-
PROTON-HYDROGEN ATOM AURORA [31; 132]. Данная модель определяет
ослабление энергии высыпающихся частиц в толще атмосферы, ионизацию
нейтральных компонент и возбуждение оптических эмиссий высыпающимися
электронами, протонами и атомами водорода в авроральной зоне для стационарных
условий по потокам частиц, получаемых при решении трех линейных уравнений
переноса для трех видов частиц. Потоки частиц задаются как функции от высоты,
энергии и питч-угла. Концентрация основных видов ионов и электронная
концентрация рассчитываются с использованием подробной химической модели,
которая решает множество аэрономических уравнений. Для задания потоков
авроральных электронов и ионов на высоте 800 км в модели используется
функциональное представление статистической модели Харди [49], работающей с
трехчасовым индексом Kp. Таким образом, основной областью применимости
модели AFRL, является именно изучение протонных и электронных сияний, а не
воспроизведение конкретных продолжительных геофизических событий [62].
Эмпирические модели ионосферы
Эмпирические модели ионосферы основаны на совокупности
экспериментальных данных, полученных различными методами. Обычно такие
модели достаточно просты в расчетах и, при наличии входных параметров, могут
быть использованы для диагностики состояния ионосферы в реальном времени.
Однако эмпирические модели не включают никакой динамики и могут
демонстрировать только последовательность средних состояний и
удовлетворительно описывают только регулярные слои ионосферы.
Еще одним слабым местом эмпирических моделей является неоднородность
охвата данных, использованных для построения модели. Наиболее часто
применяемой эмпирической моделью ионосферы является глобальная модель IRI
(International Reference Ionosphere), рекомендованная Комитетом по космическим
исследованиям (COSPAR) и International Union of Radio Science (URSI) [17; 19;
110]. IRI-2016 – последняя модификация модели [16]. Как и любая эмпирическая
модель, IRI обладает наибольшей точностью расчетов в областях с более плотным
охватом наблюдений. Поскольку большая часть ионосферных данных была
получена на широтах Европы и Северной Америки, эти области лучше всего
представлены в IRI. Северное полушарие и континенты описаны лучше, чем
Южное полушарие и океаны, опять же из-за очевидных различий в объеме данных
[13]. Модель IRI может использоваться, в первую очередь, для средних широт. На
авроральных и полярных широтах модель, основанная на наблюдениях небольшого
числа наземных станций и спутников, оказывается непригодной для точного
моделирования этой динамичной области. В высоких широтах IRI может
применяться только для приблизительной оценки фоновых параметров ионосферы
[18]. Сравнение модели IRI-2007 с данными вертикального зондирования [20; 89;
92] показывает, что в возмущенных геомагнитных условиях в авроральной зоне
модель дает существенные расхождения параметров ионосферы по сравнению с
наблюдаемыми (300%) и не может быть использована для моделирования
аврорального E-слоя.
Существующие теоретические и эмпирические (полуэмпирические)
глобальные ионосферные модели могут адекватно воспроизводить ионный состав
в авроральной зоне только при спокойных геофизических условиях и для плавных
крупномасштабных возмущений, таких как основной ионосферный провал или
осредненные значения вариаций ионосферных параметров, вызванных
высыпающимися электронами.
Модель критической частоты E-слоя для авроральной области [32] основана
на анализе моделей высыпаний авроральных электронов, границ дискретных и
диффузных сияний, главного ионосферного провала и измерений критической
частоты E-слоя. Модель foE представляет собой аналитическую модель,
состоящую из солнечной (foEsol) и авроральной (foEavr) составляющих: входными
параметрами, характеризующими солнечную и магнитную активность, являются
индексы F10.7 и Kp*. Индекс Kp* учитывает предысторию изменений геомагнитной
активности. Модель позволяет достаточно точно определить критическую частоту
слоя E для различных уровней геомагнитной активности. Анализ данных
вертикального зондирования для различных авроральных и субавроральных
станций показал, что среднее отклонение foE относительно экспериментальных
данных в данной модели не превышает 20%. Однако данная модель не позволяет
судить о вертикальном распределении ионосферных параметров (ионном составе,
высоте максимума слоя и т.д.), что ограничивает ее область применения.
Локальные модели ионосферы
Локальные модели ионосферы [29; 68; 145] широко используются для
тематических исследований. Физико-химическая модель авроральной ионосферы
[29] – это численная модель, описывающая процессы взаимодействия основных
возбужденных и ионизированных компонент ионосферы при высыпании
авроральных электронов. Зависящая от времени одномерная авроральная модель,
используемая в [68], представляет собой комбинацию кода переноса электронов
[75] и кинетической модели авроральной ионосферы [67; 97], оценивающей
ключевые ионы E-области и малые нейтральные компоненты в диапазоне высот
75–500 км. Эти модели показывают хорошие результаты расчетов и точно
описывают локальные физические и химические процессы в авроральной
ионосфере, но они предназначены только для ночного времени и не могут быть
использованы для условий освещенной ионосферы ввиду отсутствия блока расчета
ионизации коротковолновым излучением Солнца.
Таким образом, на данном этапе ионосферного моделирования не существует
модели авроральной зоны, по расчетам которой с достаточной точностью можно
было бы судить о величинах основных ионосферных параметров и их
пространственно-временных вариациях в отсутствии прямых спутниковых или
ионосферных наблюдений, как в ночное, так и в дневное время.
Целью данной работы является создание и тестирование модели E-слоя
авроральной ионосферы, применимой для расчетов основных ионосферных
параметров в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
1. Разработка модели солнечного крайнего ультрафиолетового
излучения, применимой для использования в режиме реального времени и
прогностических целей.
2. Построение модели фотоионизации коротковолновым излучением
Солнца.
3. Построение модели ионизации высыпающимися электронами.
4. Реализация численного метода для решения системы уравнений
неразрывности для нейтралов NO, N(4S), N(2D) и ионов N+, N2+, NO+, O2+,
O+(4S), O+(2D), O+(2P).
5. Апробация модели в различных геофизических условиях и
сопоставление расчетов с данными наземных наблюдений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Модель E-слоя высокоширотной ионосферы Земли (AIM-E) (φ > 60°),
применимая для мониторинга ионосферных параметров в освещенной и
неосвещенной ионосфере при различных уровнях солнечной и геомагнитной
активности в режиме реального времени.
2. Новая эмпирическая модель спектра крайнего УФ излучения AIM-UV.
Интеграция AIM-UV в блок фотоионизации модели AIM-E позволяет рассчитывать
критическую частоту регулярного слоя Е с высокой точностью (СС=0.98).
3. Модификация модели ионосферы AIM-E с использованием
геомагнитного индекса PC качестве входного параметра, позволяющая учитывать
геоэффективность солнечного ветра, и обеспечивающая более точный расчет
ионосферных параметров во время геомагнитных бурь и суббурь. Модель AIM-E
хорошо воспроизводит параметры спорадических слоев, обусловленных
высыпаниями электронов.
Научная новизна диссертационной работы определяется новыми методами
исследования и оригинальными результатами, полученными впервые:
1. Создана оригинальная модель E-слоя высокоширотной ионосферы
Земли учитывающая высокую изменчивость авроральной области, позволяющая
рассчитывать концентрации малых нейтральных компонент NO, N(4S), N(2D), ионов
N+, N2+, NO+, O2+, O+(4S), O+(2D), O+(2P) и электронов Ne в освещенной и
неосвещенной ионосфере при различных уровнях солнечной и геомагнитной
активности. Модель применима в диапазоне высот от 90 до 140 км на широтах
выше 60-ти градусов и позволяет проводить вычисления во всей расчетной области
в режиме реального времени.
2. Создана новая эмпирическая модель спектра крайнего УФ излучения
AIM-UV на основе данных спутниковых наблюдений за полный цикл солнечной
активности. AIM-UV успешно интегрирована в модель высокоширотной
ионосферы AIM-E, что обеспечило возможность мониторинга параметров
регулярного Е-слоя с хорошей точностью.
3. Геомагнитный индекс PC впервые применен в качестве входного
параметра для модельных ионосферных расчетов.
Научная и практическая значимость
Модель AIM-E является полезным инструментом, как для научных, так и для
практических целей в арктических и антарктических регионах. Модель может быть
применена для решения широкого круга научных проблем, включая, различные
аспекты химии ионосферы, распределения проводимости, электрических полей и
токов, расчета электронной концентрации в условиях различной солнечной и
магнитосферной активности. Модель может быть использована для оценки
условий распространения радиоволн, что имеет большое значение для качества
связи в условиях нестабильной авроральной зоны. Также, модель AIM-E может
быть включена в состав более сложных моделей космической погоды в качестве
эффективного ионосферного модуля.
Степень достоверности обосновывается публикацией оригинальных
результатов в ведущих для данной специальности журналах, а также их
представлением на нескольких международных конференциях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
• 33-ем, 34-ом, 35-ом, 36-ом, 42-ом и 43-ем ежегодных семинарах
«Физика авроральных явлений», Апатиты, Россия, 2010, 2011, 2012,
2013, 2020, 2021.
• General assembly of EGU, Vienna, Austria, 2014.
• 40th COSPAR Scientific Assembly, Москва, Россия, 2014.
• General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics
(IUGG), Prague, the Czech Republic, 2015.
• 11-ой, 12-ой и 17-ой ежегодной конференция «Физика плазмы в
Солнечной системе», Москва, Россия, 2016, 2017, 2022.
• Международной конференции «Atmosphere, ionosphere, safety
(AIS2020)», Калининград, Россия, 2020.
• «Геокосмос-2020» Санкт-Петербург, Россия, 2021.
Личный вклад. Все материалы, представленные в данной диссертации,
получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автор
принимал активное участие в обработке наземных и спутниковых измерений,
разработке и тестировании модели, описанной в настоящей диссертации.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены
в 6-ти печатных изданиях, входящих в Web of Science и Scopus:
• Nikolaeva V., Gordeev E., Sergienko T., Makarova L., Kotikov A. AIM-E:
E-Region Auroral Ionosphere Model //Atmosphere. – 2021. – Т. 12. – №. 6. – С. 748.
• Nikolaeva V. D., Gordeev, E. I., Rogov, D. D., Nikolaev, A. V. Auroral
ionosphere model (AIM-E) adjustment for the regular E layer //Solar-Terrestrial
Physics. – 2021. – Т. 7. – №. 1. – С. 41-46.
• Makarova L. N., Shirochkov A. V., Nikolaeva V. D. Dynamics of the auroral
Es layer during weak and strong disturbances in the magnetosphere //Geomagnetism
and Aeronomy. – 2014. – Т. 54. – №. 6. – С. 746-749.
• Nikolaeva V. D., Ribakov M. V., Kotikov A. L., Koshelevskiy V. K. IRI-
2012 model adaptability estimation for automated processing of vertical sounding
ionograms //Journal Scientific and Technical Of Information Technologies, Mechanics
and Optics. – 2014. – Т. 89. – №. 1. – С. 82-86.
• Nikolaeva V. D., Kotikov A. L., Sergienko T. I. Dynamics of field-aligned
currents reconstructed by the ground-based and satellite data //Geomagnetism and
Aeronomy. – 2014. – Т. 54. – №. 5. – С. 549-557.
• Shirochkov A. V., Makarova L. N., Nikolaeva V. D., Kotikov A. L., The
storm of March 1989 revisited: A fresh look at the event //Advances in Space Research.
– 2015. – Т. 55. – №. 1. – С. 211-219.
Автор диссертации имеет еще одну публикацию в журнале, входящим в
Перечень ВАК, косвенно относящуюся к теме диссертации:
• Франк-Каменецкий А.В., Николаева В.Д., Степанов Н.А., Калишин
А.С. Корректировка шкал локальных K-индексов для высокоширотных
магнитных станций //Проблемы Арктики и Антарктики. – 2021. – Т. 67. – №. 1. –
С. 89-99.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 2 глав и
заключения. Полный объём диссертации составляет 100 страниц с 24-мя
рисунками и 11-ю таблицами. Список литературы содержит 161 наименование.
В данной работе представлена математическая модель AIM-E, позволяющая
производить расчеты химического состава высокоширотной ионосферы в
диапазоне высот от 90 до 140 км. Модель AIM-E разработана специально для
высокоширотной E-области ионосферы и учитывает высыпания электронов
магнитосферного происхождения, что очень важно для возмущенных
геомагнитных условий. Модель вычисляет концентрации 10 ионосферных
компонент: трех малых нейтральных компонент NO, N(4S), N(2D), ионов N+, N2+,
NO+, O2+, O+(4S), O+(2D), O+(2P) с учетом их взаимодействий в 39 химических
реакциях.
При решении системы жестких обыкновенных дифференциальных
уравнений использована неявная численная схема 4-го порядка с переменным
шагом интегрирования [Gear, 1971], что значительно снижает вычислительные
затраты и при этом обеспечивает хорошую точность численного решения. Высокая
производительность модели AIM-E позволяет в квази-реальном времени
рассчитывать состав E-области ионосферы во всей авроральной зоне в различных
геомагнитных условиях с учетом различного уровня солнечного ультрафиолета и
высокой изменчивости высыпаний авроральных электронов.
При расчете фотоионизации спектр солнечного ультрафиолетового
излучения может быть задан двумя способами: 1) относительно грубым
эмпирическим приближением с использованием суточного радиопотока F10.7,
постоянно доступного с 1947 года и подходящего для исследований «космического
климата»; и 2) прямые измерения энергетического спектра фотонов,
обеспечиваемые, например, космическим аппаратом TIMED каждые 97 минут с
2002 года, которые могут использоваться для исследования явлений «космической
погоды», во время солнечных вспышек. В рамках создания модели Е-слоя была
разработана новая эмпирическая модель крайнего УФ, AIM-UV, успешно
интегрированная в модель AIM-E. Следует отметить, что эмпирическая модель
AIM-UV имеет собственную значимость и может быть использована в других
целях, для текущей и прогностической оценки потока крайнего УФ солнечного
излучения.
Источник ионизации корпускулярными электронами также имеет два
варианта задания входных параметров: 1) прямые космические измерения
энергетического спектра электронов, доступные с низкоорбитальных спутников,
например, DMSP, NOAA POES, REIMEI. Такой ввод обеспечивает точное
нахождение параметров вертикального профиля химического состава вдоль
траектории спутника; и 2) результаты эмпирической модели высыпания
электронов (в данной работе была использована модель OVATION-Prime с
данными солнечного ветра или геомагнитным индекса PC в качестве входного
параметра), которая может быть использована для моделирования химического
состава в высокоширотной ионосфере в глобальном масштабе.
Также показана возможность применения геомагнитного индекса PC в
качестве входного параметра модели высыпаний OVATION-Prime для
ионосферных расчетов. Модель авроральной ионосферы AIM-E с использованием
индекса PC позволяет описывать динамику изменения электронной концентрации
в высокоширотной ионосфере во время суббурь и более точно учитывать
геоэффективность солнечного ветра. Минутные значения PC-индекса
рассчитываются в реальном времени, что позволяет производить оценку текущего
состояния высокоширотной ионосферы с высоким временным разрешением.
Результаты моделирования, полученные с различными входными
параметрами и для различных геомагнитных условий, показывают хорошее
согласие с наземными ионосферными данными (радар некогерентного рассеяния
EISCAT UHF и вертикальное зондирование ионосферы) как в дневное, так и в
ночное время. Модель хорошо воспроизводит отклик ионосферы на геомагнитные
суббури и может быть использована для описания крупномасштабной динамики
аврорального овала в возмущенные периоды. Высокая производительность
вычислений позволяет применять модель AIM-E для регулярного мониторинга E-
слоя всей высокоширотной ионосферы, включая авроральную и субавроральную
зоны, что важно для прогнозирования условий распространения радиоволн.
Таким образом, в рамках данной работы была создана модель E-слоя
авроральной ионосферы, применимая для решения различных теоретических и
практических задачах, мониторинга ионосферы в режиме реального времени и для
краткосрочного прогноза.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (1033 отзыва)
5 (21 отзыв)
4.8 (13 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
5 (1241 отзыв)
5 (91 отзыв)
5 (9 отзывов)
