CC BY
61
УДК 550.388
С. А. Ишанов, В. В. Медведев,
Е. И. Новикова, Ю. С. Жаркова
ВЛИЯНИЕ МАГНИТОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНЫХ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ НА F-ОБЛАСТЬ ИОНОСФЕРЫ
Рассмотрено влияние магнитосферных потоков плазмы на F-область ионосферы.
The article examines the influence of magnetosphere plasma streams on F-zone of ionosphere.
Интерес к проблеме взаимодействия между ионосферой и магнитосферой, обмену холодной плазмой между ними вдоль магнитных силовых линий и роли, которую играет магнитосфера в изменчивом поведении F-области, связан с такими вопросами, как возможность переноса плазмы между сопряженными ионосферными полушариями [1], поддержание ионизации в ночной ионосфере [2], наполнение ионизированными частицами магнитосферных трубок на больших высотах с последующим опорожнением их во время магнитных бурь [3] и перемещение ионизированных частиц под действием электрических полей в период суббурь [4], с антропогенным воздействием на F-область [5]. В настоящее время установлено, что существованием потока заряженных частиц из магнитосферы можно объяснить достаточно высокую концентрацию электронов в F-области ионосферы в ночные часы, причем значение потока должно быть порядка 108 см-2с-1.
Развитие экспериментальной техники и использование ее в получении информации о потоках ионосферной плазмы позволило накопить ряд доказательств в поддержку существования достаточно больших потоков плазмы между магнитосферой и ионосферой. Было установлено, что среднее дневное значение направленного вверх потока на больших высотах (~800 км) в период высокой солнечной активности составляет ~5-107 см-2с-1 [6] и может достигать ~108 см-2с-1 в эпоху низкой [7]. В этой же работе показано, что суточная вариация потока зависит от солнечной активности. Так, в период высокой активности летом ночью он остается направленным вверх со значением, близким предельному (~1,5-107 см-2с-1), а в условиях низкой активности примерно за 2 — 4 часа до восхода Солнца становится направленным вниз. В зимнее время при высокой солнечной активности поток становится направленным вниз сразу после полуночи, а при низкой — после захода Солнца и сохраняет это направление вплоть до восхода. Численные значения этого потока, по оценкам из работы [95], лежат в пределах (1 — 10)-107 см-2с-1 с наиболее вероятным значением 3-107 см-2с-1.
Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 10. Физико-математические науки. С. 15 — 18.
С. А. Ишанов, В. В. Медведев, Е. И. Новикова, Ю. С. Жаркова
16
По ионному составу поток заряженных частиц состоит из ионов О+ и Н+, доля которых зависит от гелио-геофизических условий и от географического места. Так, в период высокой активности Солнца на средних широтах поток заряженных частиц на высотах 1000 км как в дневное, так и в ночное время состоит в основном из ионов О+ [6]. По мере уменьшения солнечной активности доля ионов Н+ возрастает, а О+ уменьшается.
Несмотря на большой объем проведенных измерений, характер поведения потоков плазмы, количественные оценки их величин пока установлены с некоторой неопределенностью. В то же время эти потоки связывают ионосферу с магнитосферой и для численного моделирования Б2-области являются удобными управляющими параметрами, которые можно использовать в качестве верхних граничных условий. Поэтому, помимо вопроса о роли потоков плазмы в поведении Б2-области ионосферы, представляет несомненный интерес вопрос об оценке погрешностей расчетных параметров, к которым приводит неточное задание потока плазмы в качестве верхних граничных условий.
Результаты расчетов
Рассмотрим, как влияет на расчетные параметры ионосферы изменение задаваемого потока. При расчете параметров Б-области для зимних (05.02.69) и летних (09.07.69) условий дополнительно использованы следующие варианты задания верхних граничных условий: а) Ф(800) = Фср. год.; б) Ф(800) = 0. Средний годовой поток Фср. год получен усреднением потоков, взятых из [6] за 19 спокойных дней, включая и рассмотренные выше, представляющих все сезоны в течение 1969 года. Суточная вариация этого потока показана на рисунке 1. Суточный ход критических частот, рассчитанных с использованием потока из рисунка 1, представлен штриховой кривой для зимних условий на рисунке 2 и для летних на рисунке 3. На рисунке 2 для зимних условий штрих-пунктирной кривой показана суточная вариация /оБ2, рассчитанная с заданием нулевого потока зараженных частиц на верхней границе. Сплошная кривая на обоих рисунках — значения ^ Б2, соответствующие расчетам с заданием на верхней границе измеренного для данного дня потока.
Из анализа этих кривых видно, что как в зимних, так и в летних условиях в дневные часы изменение потока ионизированных частиц на верхней границе не приводит к существенным изменениям концентрации электронов в Б2-слое даже тогда, когда поток становится равен нулю.
Разница в значениях критических частот ^ Б2, рассчитанных с разными потоками, в дневных условиях для обоих сезонов не превышает 3 %, так как основным источником ионизации в дневной ионосфере, поддерживающим высокое содержание заряженных частиц в Б2-об-ласти, является ультрафиолетовое или рентгеновское излучение Солнца, и на фоне этого фактора эффект от изменения потока плазмы слабо заметен.
Рис. 1. Суточная вариация потока Ф
Рис. 2. Суточный ход критических частот для зимних условий
Рис. 3. Суточный ход критических частот для летних условий
Для остального времени суток использование на верхней границе вместо истинного среднего годового потока более ощутима, тем не менее больших изменений в N,72 даже в ночные часы не выпзыпвает: отли-
С. А. Ишанов, В. В. Медведев, Е. И. Новикова, Ю. С. Жаркова
18
чие в значениях /0Б2 составляет для зимней ночи приблизительно 27 %, а для летней — 6 %.
Наиболее значительные изменения в ночной Б2-области происходят при отсутствии потока плазмы сверху. Из рисунка 2 видно, что в этом случае наблюдается более интенсивный распад Б2-слоя, несмотря на то, что он находится в области с меньшими скоростями потерь ионизации (рис. 1, штрихпунктирная кривая), вследствие подъема его на большие высоты возросшими меридиональными ветрами (рис. 2, штрихпунктирная кривая). Значение электронной концентрации в максимуме Б2-слоя в данном случае уменьшается примерно в четыре раза по сравнению со значениями N,72 при наличии потока из магнитосферы.
Это еще раз подтверждает, что магнитосферные потоки плазмы играют существенную роль в формировании ночной Б2-области ионосферы.
Таким образом, в спокойной среднеширотной ионосфере магнито-сферно-ионосферные потоки плазмы в дневные часы практически не влияют на характер поведения Р2-области, но оказывают существенное влияние в послезаходные и ночные часы.
Список литературы
1. Rothwell P. Diffusion of ions between F-layers at magnetic conjugate points. Proc. Int. Conf. Ionosph. 1983. Inst. of Physics and the Physical Society. London. P. 217-228.
2. Sipler D. P., Biondi M. A. Midlatitude F-region neutral winds and temperatures during the geomagnetic storm of March 26, 1976 // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. N. 1. P. 37-50.
3. Park C. G. Whistler observations of the interchange of ionization between the ionosphere and the protonosphere // Ibid. 1970. V. 75. N 22. P. 4249 — 4260.
4. Park G,G., Banks P.M. Influence of thermal plasma flow on the midlatitude nighttime F2-layer: Effects of electric fields and neutral winds inside the plasmas-phere // Ibid. 1974. V. 79. N 31. P. 4661—4668
5. Медведев В. В., Ишанов С. А., Зенкин В. И. Роль горизонтальных составляющих скорости нейтрального ветра при антропогенных воздействиях на ионосферу земли // Космические исследования. 2005. Т. 43. № 1. С. 76 — 80.
6. Evans J. V. A study of F2-region daytime vertical ionization fluxes at Milistone Hill // Planet. Space Sci. 1975. V. 23. N 12. P. 1611—1619.
7. Evans J. V. A study of F2-region nighttime vertical ionization fluxes at Millstone Hill // Ibid. P. 1461—1482.
8. Evans J. V. Nighttime proton fluxes at Millstone Hill // Ibid. 1978. V. 27. N 4. P. 727 — 739.
Об авторах
С. А. Ишанов — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта. В. В. Медведев — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта. Е. А. Новикова — ст. преп., РГУ им. И. Канта.
Ю. С. Жаркова — асп., РГУ им. И. Канта.
