CC BY
24
Результаты расчета высотного профиля температуры электронов
в области Е ионосферы Земли
11 2 2 Л.Б. Волкомирская , О.А. Гулевич , Н.В. Кривошеев , Т.Н.Ларина ,
А.Е. Резников1
1 Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн Российской
академии наук им. Н.В. Пушкова.
2 Донской государственный технический университет
Аннотация: Рассмотрена методика расчета высотного профиля температуры электронов в области Е ионосферы Земли. Приведены примеры расчета профиля электронной температуры на высотах 100 - 170 км в зависимости от зенитного угла Солнца. Обсуждаются проблемы теплового баланса ионосферных электронов в области Е. Ключевые слова: ионосфера, температура электронов, концентрация, тепловой баланс, скорость нагрева, солнечное излучение, соударения электронов, высотный профиль температуры, зондовые измерения.
Проектирования средств связи возможно при надежном прогнозе условий распространения волн в различных диапазонах [1]. Для моделирования ионосферного распространения радиоволн необходимо задать надежные пространственные распределения электронной концентрации, расчет которых, в свою очередь, требует использования достоверных моделей нейтральной атмосферы, а также температурного режима как ионизованной, так и нейтральной составляющих. Поэтому расчет высотных профилей температуры электронов в ионосфере является актуальной задачей.
В условиях области Е ионосферы теплопроводностью электронного газа можно пренебречь, и для стационарного случая использовать уравнение теплового баланса для электронов в виде:
д = ь. (1)
Здесь 0 = 01 +02. 01 - скорость нагрева единицы объема электронного газа фотоэлектронами [2,3]. 02 - скорость нагрева излучением
в континиуме Шумана-Рунге. В процессе диссоциации молекулярного
состоянии, что приводит к передаче энергии тепловым электронам. [4,5]. Такие источники как нагревание электронного газа за счет тушения метастабильных ионов, образующихся при фотоионизации нейтральных составляющих атмосферы, за счет выделения энергии в результате реакций диссоциативной рекомбинации и за счет наличия электрического поля являются второстепенными [4,5].
Правая часть уравнения (1) представляет собой суммарную скорость потерь тепла единицей объема электронного газа в процессе упругого и неупругого взаимодействия с нейтральными молекулами и положительными ионами.
Наиболее существенным фактором, определяющим перенос энергии от тепловых электронов к нейтральным частицам, являются неупругие соударения, в которых электроны теряют энергию за счет возбуждения
внутренних степеней свободы нейтралов. К числу таких процессов,
играющих более или менее важную роль в охлаждении электронного газа в ионосфере, относятся: вращательное и колебательное возбуждение молекулярного кислорода и азота, возбуждение тонкой структуры атомарного азота. Тепловые электроны также теряют энергию при упругих взаимодействиях с молекулярным и атомарным кислородом и молекулярным азотом. Имеют место потери энергии и при упругих соударениях с положительными ионами [6-9].
Таким образом, расчет температуры электронов Те сводится к решению уравнения (1).
кислорода под действием солнечного излучения с длиной волны
о
1350-1750 А
возможно образование одного из атомов в возбужденном
Нами была рассчитана скорость нагрева электронного газа фотоэлектронами Q1. Результаты расчета для трех случаев представлены на рисунках 1-3. Здесь же приведены профили Q2-скорости нагрева ионосферных электронов излучением в континиуме Шумана-Рунге. Расчеты проводились для значений зенитного угла Солнца 70, 77, и 86 градусов соответственно и среднего уровня солнечной активности. При расчетах использовалась модель нейтральной атмосферы CIRA.
Результаты расчетов, представленные на рисунках 1-3, показывают, что в зависимости от зенитного угла Солнца основным источникам нагрева электронного газа на высотах области Е ионосферы может быть, как Q1, так и Q2. Следовательно, во всех случаях расчета теплового баланса ионосферных электронов на этих высотах необходимо учитывать оба эти источника тепла.
В первом и втором случае основную роль в нагреве электронов играет Q1, в то время, как величина Q2 по отношению к общему притоку тепла Q = Q1 + Q2 составляет не более 25%.
В то же время в третьем случае нагрев электронов на высотах менее 150 км происходит, главным образом, за счет излучения Шумана-Рунге. На высотах более 150 км значения Q2 также достаточно велики. Так на высоте 170 км отношение Q2 к Q1 составляет более 30%. Таким образом можно с уверенностью утверждать, что оба источника нагрева электронного газа должны быть учтены при решении уравнения теплового баланса.
Профили Q1 обнаруживают следующие особенности. В диапазоне высот от 100 до 170 км наблюдается монотонное увеличение Q1. С возрастанием зенитного угла Солнца рост Q1 с высотой становится все более резким.
Считается, что результаты теоретического расчета дают значения Q1 с точностью до фактора 1,5, поскольку именно такова точность при задании
сечений ионизации и поглощения [3]. При увеличении зенитного угла Солнца и уменьшении высоты в спектре первичных фотоэлектронов все заметнее возрастает относительное содержание частиц с большими энергиями, способных производить вторичную ионизацию нейтральных молекул. Эффект наличия вторичных электронов учитывался нами в работах [2,3] откуда следует, что на малых высотах при больших значениях зенитного угла Солнца ошибка при расчете Q1 наиболее существенна. Графики на рисунках 1 - 3 позволяют проследить уменьшение Q1 с ростом зенитного угла на фиксированных высотах.
Рис. 1. - Высотные профили Q, зенитный угол х = 700 .
N. рнч
Рис. 2. - Высотные профили Q, зенитный угол х = 770 .
Рис. 3. - Высотные профили Q, зенитный угол х = 860.
Имея рассчитаные профили Q и учитывая перенос энергии от электронов к нейтральным частицам атмосферы, нами были рассчитаны профили температуры электронов для указанных выше зенитных углов Солнца. Результаты расчетов представлены на рисунках 4-6. Здесь же представлены высотные профили температуры нейтральных частиц Тп
Рис. 4. - Профили температуры электронов Т и нейтральных частиц Тп для зенитного угла Солнца х = 700.
Рис. 5. - Профили температуры электронов Т и нейтральных частиц Тп для зенитного угла Солнца х = 770 .
h. км > 170 ■
150 -130 -
110 -90 L
0 500 1000 Т, °К
Рис. 6. Профили температуры электронов Te и нейтральных частиц Tn для зенитного угла Солнца х = 860 .
Из полученных результатов видно, что температура электронов монотонно возрастает с высотой. Температура электронов выше 140 км заметно превышает температуру нейтральных частиц.
При расчетах были использованы экспериментальные профили электронной концентрации, полученные с помощью высокочастотного импедансного зонда для данных условий из [10].
Важной и давней проблемой теплового баланса Е области ионосферы является тот факт, что результаты измерения температуры электронов с помощью зондов, поднимаемых на ракетах, систематически дают более высокие значения Те, чем результаты расчетов из уравнения теплового баланса. Зондовая температура электронов, как правило, превышает температуру, измеренную методом некогерентного рассеяния радиоволн, которая стремится к температуре нейтральных частиц на высотах менее 130140 км. Косвенные расчеты Те, например по результатам измерения поглощения радиоволн методом А1 и А2, также дают Т < Те [11,12].
Литература
1. Омельянчук Е.В., Тихомиров А.В., Кривошеев А.В. Особенности проектирования систем связи миллиметрового диапазона радиоволн //Инженерный вестник Дона, 2013, №2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.
2. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Кривошеев Н.В., Ларина Т.Н., Резников А.Е. Метод расчета спектров фотоэлектронов в ионосфере // Инженерный вестник Дона 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3809/.
3. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Кривошеев Н.В., Ларина Т.Н., Резников А.Е. Расчет притока тепла к электронному газу на высотах области Е ионосферы Земли // Инженерный вестник Дона 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4107/.
4. Bilitza D. Heatbalance of the ionosphere: implications for the international reference ionosphereAdv. Space res. 1985-1986. № 10, pp. 123-130.
5. Khazanov G. V., Glocer A., Liemohn M. W., Himwich E. W. Superthermal electron energy interchange in the ionosphere-plasmasphere system. J. Geophys. Res. A. 2013. 118, N 2, pp. 925-934.
6. Moffett R.J. Rates of electron cooling in the upper atmosphere. Planet. and space sci. 1988. 36, № 1, pp. 65-72.
7. Павлов А.В. Скорость охлаждения тепловых электронов при возбуждении колебательных уровней N(2) электронным ударом // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. 26, №4, C. 669-670.
8. Павлов А. В. Колебательно- возбужденные N2 и O2 в верхней атмосфере (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. 51, N 2, C. 147-173.
9. Павлов А. В., Павлова Н. М., Макаренко С. Ф. Изучение теплового баланса ионосферы и плазмосферы средних широт по данным станции "Миллстоун-Хилл" с 14 по 17 января 1986 г.// Геомагнетизм и аэрономия. 2004. 44, N 2,
C. 204-215.
10. Клюева Н.М., Кривошеев Н.В., Часовитин Ю.К., Некоторые вопросы интерпретации результатов зондовых измерений температуры электронов в области Е ионосферы // Труды института экспериментальной метеорологии, ГУГМС. 1976. 5, №62, С. 113-124.
11. Oyama Kohichiro (Institute of Space & Astronautical Science, 3-1-1, Yoshinodai, Sagamihara, Japan) Insitu measurements of Te in the lower ionosphere - a review. Adv. Space Res. 2000. 26, N 8, pp. 1231-1240.
12. Oyama Kohichiro Langmuir probe measurements in the ionosphere and contemporary issues. JAXA Spec. Publ., 2005(2006), N 20, pp. 3-19.
References
1. Omel'yanchuk E.V., Tikhomirov A.V., Krivosheev A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1742/.
2. Volkomirskaya L.B., Gulevich O.A., Krivosheev N.V., Larina T.N., Reznikov A.E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), Dona 2016, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3809/.
3. Volkomirskaya L.B., Gulevich O.A., Krivosheev N.V., Larina T.N., Reznikov A.E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4107/.
4. Bilitza D. Аdv. Space res. 1985-1986. № 10, pp. 123-130.
5. Khazanov G. V., Glocer A., Liemohn M. W., Himwich E. W.J. Geophys. Res. A. 2013. 118, N 2, pp. 925-934.
6. Moffett R.J. Planet. and space sci. 1988. 36, № 1, pp. 65-72.
7. Pavlov A.V. Geomagnetizm i aeronomiya. 1986. 26, №4, pp. 669-670.
8. Pavlov A. V. Geomagnetizm i aeronomiya. 2011. 51, N 2, pp. 147-173.
9. Pavlov A. V., Pavlova N. M., Makarenko S. F. Geomagnetizm i aeronomiya. 2004. 44, N 2, pp. 204-215.
10. Klyueva N.M., Krivosheev N.V., Chasovitin Yu.K., Trudy instituta eksperimental'noy meteorologii, GUGMS. 1976. 5, №62, pp. 113-124.
11. Oyama Kohichiro Adv. Space Res. 2000. 26, N 8, pp. 1231-1240.
12. Oyama Kohichiro JAXA Spec. Publ. 2005(2006), № 20, pp. 3-19.
