CC BY
74
УДК 551.594
Л. В. Зинин, А. В. Цибульникова, Н. М. Никулин
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОЛЯРНОГО ВЕТРА В УСЛОВИЯХ МАГНИТОСФЕРНОЙ КОНВЕКЦИИ
Нестационарная гидродинамическая модель TUBE 7 использована для моделирования продольных движений и температур ионов полярной ионосферы в условиях магнитосферной конвекции. Показано, что изменение геометрии силовых трубок оказывает значительное влияние на основные параметры тепловой плазмы полярной магнитосферы.
Time-depended hydrodynamic model TUBE 7 is used for modeling of field-aligned motions and temperature of polar ionosphere ions taking into account magnetosphere convection. It was shown tube geometry changing have a great influence on basic parameters of polar magnetosphere thermal plasma.
Ключевые слова: ионосфера, магнитосфера, тепловая плазма, полярный ветер, магнитосферная конвекция.
Key words: ionosphere, magnetosphere, thermal plasma, polar wind, magnetospheric convection
Введение
Процессы выноса ионосферных ионов в магнитосферу являются одними из ключевых процессов в ионосферно-магнитосферных связях. Общепринято считать, что главный механизм выноса тепловых холодных ионосферных ионов в магнитосферу и в хвост — это механизм полярного ветра. Теория формирования полярного ветра на основе системы гидродинамических уравнений была предложена в классических работах [1 — 3] для стационарных геофизических условий. В работе [4] предложен кинетический подход к описанию полярного ветра. Дискуссия о применимости бесстолкновительной гидродинамики для описания характеристик полярного ветра продолжается до настоящего времени, однако экспериментальные данные показывают, что гидродинамическое описание в целом отражает реальную ситуацию [5], если не надо учитывать явления разогрева циклотронными волнами, анизотропию температур ионной и электронной плазмы, ускорения продольными полями в двойных слоях и пр.
В 80-е годы прошлого века в ряде работ [6 — 9] было показано, что нестационарность полярного ветра может кардинально изменить режим истечения ионосферной плазмы даже в спокойных условиях без дополнительных механизмов энергизации. В это же время осуществлялись попытки объединить магнитосферную конвекцию и полярный ветер в одну нестационарную модель. Отметим работу [10], в которой впервые предложен механизм формирования ионного фонтана в каспе (см. также [11 — 13]), работы [14; 15], где исследовалось влияние конвекции на основные параметры полярной ионосферы на высотах до 1000 км. Такие попытки продолжаются до настоящего времени [16; 17]. Вместе с тем влияние чисто геометрических факторов на режим истечения полярного ветра оставался за рамками проведенных исследований.
В данной работе предпринята попытка оценить влияние геометрических факторов на режим и характеристики полярного ветра с учетом магнитосферной конвекции.
1. Постановка задачи
В качестве модели продольных движений, концентрации и температуры компонент тепловой плазмы вдоль силовых линий магнитного поля Земли была принята модель ТиВЕ7 [18] для семи сортов заряженных частиц.
Модель основана на системе гидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса:
дпа , 1 дАпаиа , г _ п . зх л з а ^а ’
ді А дБ
диа , и 1 дРа Г . (1)
~ Ґа' Vі/
ді дБ шапа дБ
- кпа + иадТа'\ +радАиа-1Ц АХадТа\_&а,
2 а{ ді а дБ I А дБ А дБ { а дБ \
Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. 2010. Вып. 10. С. 126-132.
где а — индекс сорта заряженных частипд, который принимает значения 0+, Н+, Не+, N+, Oí, NO+, N+; ma, na, ua, Ta, Pa — масса, концентрация, продольная скорость, температура и давление частиц сорта a; La — коэффициент рекомбинации; Xa — коэффициент теплопроводности; ©а — разность скоростей нагрева и охлаждения зараженных частиц; Qa — функция ионизации частиц сорта a; k — постоянная Больцмана; А — расходимость магнитных силовых линий.
Внешняя сила Fa вычисляется как
1 дР
Fa= G +Z Saj (uj - ua ) + Ra (VnxCosI - ua )-——L,
j*a ma Ne ds
где сила F включает силу тяжести и центробежную силу в проекции на силовую линию магнитного поля G:
R2
G = -go"^2sin I + Q2r cos Ф(sin Icos Ф +cos I sin ф),
где RB — радиус Земли; I — магнитное наклонение; Q — угловая скорость вращения Земли; ф — широта.
Левые граничные условия на высоте 125 км соответствуют условиям фотохимического равновесия, нулевым ионным потокам и температурам, равным нейтральной температуре. На верхней границе высотные градиенты температур равны нулю, а условия для концентраций и скоростей соответствуют так называемой свободной границе (подробнее см. [18]). Начальные условия были получены методом установления для начальной координаты траектории конвекции. Численная схема решения системы уравнений (1) подробно рассмотрена в [18].
Геофизические условия выбраны следующие: летнее солнцестояние, средний уровень солнечной активности F10.7 = 150, средний уровень геомагнитной активности Ap = 20. Траектория движения конвекции в координатах (MLT, ф) представлена на рисунке 1. Выбрана схематическая траектория, соответствующая типичной картине конвекции с полудня по полночь. Магнитная силовая трубка
двигалась с постоянной скоростью 500 м/ с в ее основании, что также типичная величина.
Координаты трубки пересчитывались с шагом 5 секунд. На каждом временном шаге решалась система уравнений (1). Исследовались только эффекты, вызванные геометрией трубок, явления нагрева и ионизации в каспе и авроральном овале намеренно не учитывались.
MLTJi
№
Рис. 1. Траектория магнитосферной конвекции
2. Результаты моделирования
Рассмотрим скорости и температуры ионов в силовой трубке в процессе конвекции. На рисунке 2 представлены высотные распределения скоростей ионов Н+ и О+ для различных I, соответствующих положению трубки вдоль траектории конвекции. Сплошная кривая (I = 5,6) соответствует начальным условиям. Скорости ионов Н+ отражают режим классического полярного ветра. Точка перехода на сверхзвуковой режим находится ниже 10 000 км, а на верхней границе скорость превышает 20 км/ с.
Профили скоростей Н+ для больших I смещены в сторону больших высот. Так, для I = 65,6 точка перехода на сверхзвуковой режим лежит уже на высоте нескольких десятков тысяч километров, и с увеличением I только растет.
Скорости ионов О+ для начальных условий на протяжении почти всей силовой трубки равны
0, и только в вершине трубки резко возрастают. Такой режим вызван значениями проекции силы тяжести на силовую трубку, которая сильно уменьшается с высотой. С увеличением I трубка становится все «более вертикальной» на высотах от 1000 км до 70 000 км, в зависимости от геомагнитной широты. Это приводит к увеличению проекции силы тяжести, и для одной и той же высоты значение этой проекции возрастает с увеличением I.
VH*.km/sec VO*, km/sec
Рис. 2. Высотные распределения скоростей ионов Н+ и О+ для различных Ь, рассчитанных вдоль траектории конвекции
Указанное увеличение проекций сил вдоль силовой трубки приводит к перестройке высотных профилей концентраций ионов. Для более тяжелых ионов О+ в результате возникают сильные нисходящие потоки ионов со скоростями до 1,5 км/ с.
Рассмотрим изменение температурного режима вследствие указанных процессов. Температуры ионов Н+, О+ и электронов для тех же параметров представлены на рисунке 3. Области значительного возрастания температур соответствуют пространственным областям нисходящих потоков ионов О+, что однозначно указывает на то, что причиной увеличения температуры является джоулев разогрев при столкновении ионов. Температура электронов возрастает вследствие процессов теплообмена, а так как теплопроводность электронов высока, температура возрастает сразу вдоль всей силовой трубки.
Результаты моделирования скоростей ионов вдоль траектории конвекции для некоторых избранных высот представлены на рисунке 4. Для ионов Н+ вычисления показывают, что в области высот до 5000 км для высоких широт явление выноса отсутствуют. Для ионов О+ в этих областях наблюдается своего рода «обвал». Хорошо известно, что вследствие явлений нагрева и ионизации в каспе в трубке, дрейфующей на ночную сторону, возникают нисходящие потоки ионов О+ [10]. Наши расчеты показывают, что такие потоки могут возникать и вследствие чисто геометрических причин.
3. Основные выводы
Проведенные расчеты показали, что геометрический фактор крайне важен для анализа динамики тепловых ионов в полярной ионосфере. Влияние этого фактора кратко сводится к
следующему.
Рис. 3. Высотные распределения температур ионов и электронов для различных Ь вдоль траектории конвекции
Рис. 4. Значения скоростей ионов Н+ и О+ на избранных высотах вдоль траектории конвекции
1. С увеличением L пространственная область формирования сверхзвукового полярного ветра смещается на большие высоты.
2. Для больших L имеются интенсивные нисходящие потоки О+.
3. Вследствие нисходящих потоков ионов О+ возникает пространственная область существенного увеличения температуры ионов, температура электронов растет вдоль всей трубки.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-01-00628-а.
Список литературы
1. Banks P. M., Holzer Т. Е. The polar wind // J. Geophys. Res. 1968. Vol. 73, № 21. P. 6846—6854.
2. Banks P. M., Holzer Т. Е. Features of plasma transport in the upper atmosphere // J. Geophys. Res. 1969. Vol. 74, № 26. Р. 6304 — 6316.
3. Banks P. I., Holzer Т. Е. High-latitude plasma transport: the polar wind // J. Geophys. Res. 1969. Vol. 74, № 26. P. 6317—6322.
4. Lemaire J. O+, H+ and Не+ ion distributions in a new polar wind model // J. Atm. Terr. Phys. 1972. Vol. 34, № 10. Р. 1647—1658.
5. Чугунин Д. В., Зинин Л. В., Гальперин Ю. И. и др. Наблюдение полярного ветра на ночной стороне полярной шапки на высотах 2 — 3 Re по измерениям спутника ИНТЕРБОЛ-2 / / Космич. исслед. 2002. T. 40, № 4. С. 416—433.
6. Коен М. А., Хазанов Д. В. Нестационарная модель полярного ветра / / Исследование ионосферной динамики. М., 1979. С. 161 — 169.
7. Бобарыкин Н. Д., Латышев К. С., Осипов Н. К Нестационарный полярный ветер — причины и следствия // Геомагнетизм и аэрономия. 1981. T. 21, №4. С. 698— 703.
8. Gomboshi T. I., Cravens T. E., Nagy A. F. A time-dependent theoretical model of the polar wind: preliminary results // Geophys. Res. Lett. 1985. Vol. 12, №4. Р. 167-170.
9. Zinin L. V., Galperin Yu. I., Latyshev K. S., Grigoriev S. A. Non-stationary field-aligned fluxes ions O+ and H+ outside the plasmapause: refinement of the polar wind theory // Results of the ARCAD-3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics, ed. by CNES. Toulouse. I985. Р. 391—408.
10. Whitteker J. H. The transient response of the topside ionosphere to precipitation // Planet. Space Sci. 1977. 25, № 8. Р. 773 — 786.
11. Lockwood M., Chandler M. O., Horwitz J. L. et al. The cleft ion fountain // J. Geophys. Res. I985. Vol. 90, №A10. Р. 9736 — 9748.
12. Horwitz J. L., Lockwood M. The cleft ion fountain: a two-dimensional kinetic model // J. Geophys. Ses. 1985. Vol. 90, №A10. Р. 9749 — 9762.
13. Зинин Л. В. Моделирование продольных движений тепловых ионов О+ и Н+ в магнитной силовой трубке, конвектирующей через полярный касп // Космич. исслед. 1984. T. 22, № 4. С. 629 — 631.
14. Мингалева Г. С., Сырникова Т. В., Мингалев В. С. и др. Влияние конвекции на температурный режим полярной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 982. T. 22, № 3. С. 512 — 515.
15. Жеребцов Г. А., Мизун Ю. Г., Мингалев В. С. Физические процессы в полярной ионосфере. М., 1988.
16. Tu J.-N., Horwitz J. L. Nsumei P. A. et al. Simulation of polar cap field-aligned electron density profiles measured with IMAGE radio plasma imager // J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, №A7. Р. 7206.
17. Horwitz J. L. Zeng W. Physics-based formula representations of high-latitude ionospheric outflows: H+ and O+ densities, flow velocities, and temperatures versus soft electron precipitation, wave-driven transverse heating, and solar zenith angle effects // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, №A1. Р. 1308.
18. Григорьев С. А., Зинин Л. В., Василенко И. Ю., Лыновский В. Э. Многоионные одномерные МГД-модели динамики высокоширотной ионосферы. 1. Математическая модель ионосферы, учитывающая семь сортов положительных ионов // Космические исследования. 1999. T. 37, № 5. С. 451 — 462.
Об авторах
Леонид Викторович Зинин — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, e-mail:
lzinin@kantiana.ru.
Анна Владимировна Цибульникова — студ., РГУ им. И. Канта, e-mail: memorgold@mail.ru.
Николай Михайлович Никулин — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, e-mail: nickulinnick@mail.ru.
Authors
Dr Leonid Zinin — assistant professor, IKSUR, e-mail: lzinin@kantiana.ru.
Anna Cibul'nikova — student, IKSUR, e-mail: memorgold@mail.ru.
Dr Nikolay Nikulin — head of department, IKSUR, e-mail: memorgold@ mail.ru.
