Численное моделирование влияния ММП на крупномасштабную структуру ионосферы с учетом несовпадения полюсов

Межпланетное магнитное поле (ММП), вмороженное в плазму солнечного ветра, определяет уровень геомагнитной активности и существенно влияет на крупномасштабную структуру высокоширотной ионосферы. Вариации компонент ММП приводят к нестационарности электрического поля магнитосферной конвекции, вызывая изменения пространственно-временного распределения заряженных частиц в ионосфере. Ситуацию усложняет факт несовпадения географического и геомагнитного полюсов, который приводит к контролю параметров высокоширотной ионосферы мировым временем (UT-контроль). Эффект несовпадения полюсов наиболее ярко выражен в зимнее время. Поэтому в настоящей работе в рамках нестационарной математической модели области F ионосферы в переменных Эйлера с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов исследовано влияние компонент межпланетного магнитного поля на крупномасштабную структуру высокоширотной ионосферы в зимний период. Для этого использована модель высокоширотных электрических потенциалов Веймера, зависящая от ММП. В результате численного моделирования показано, что компоненты ММП влияют на форму, размер и пространственно-временное расположение основных структурных особенностей высокоширотной ионосферы в зависимости от мирового времени. Получен эффект раздвоения «языка ионизации», который требует экспериментального подтверждения. Полученные результаты демонстрируют, что разработанная нестационарная трехмерная модель ионосферы в переменных Эйлера может быть применена в исследовании ионосферных возмущений, в том числе возмущений ионосферы, связанных с изменениями компонентов ММП.

1. Брюнелли, Б. Е. Физика ионосферы / Б. Е. Брюнелли, А. А. Намгаладзе. – Москва : Наука, 1998. – 528 с. ISBN 5-02-000716-1.

2. Некоторые аспекты моделирования высокоширотной ионосферной конвекции по данным Cluster/EDI / М. Фёрстер, Я. И. Фельдштейн, Л. И. Громова [и др.]. // Геомагнетизм и аэрономия. – 2013. – Т. 53. № 1. – С. 91–101. doi: 10.7868/S0016794013010094.

3. Изменения в структуре F-слоя полярной ионосферы при смене знака Y-компоненты межпланетного магнитного поля. Эффект Свальгарда-Мансуров в ионосфере / Ю. И. Гальперин, А. Г. Зосимова, Т. Н. Ларина [и др.]. // Космические исследования. – 1980. – Т. 18, № 6. – С. 877–898.

4. Жеребцов, Г. А. Физические процессы в полярной ионосфере / Г. А. Жеребцов, Ю. Г. Мизун, В. С. Мингалев. – Москва : Наука, 1988.

5. Уваров, В. М. Моделирование высокоширотной ионосферы с учетом влияния параметров межпланетной среды / В. М. Уваров, Р. Ю. Лукьянова // Гелиогеофизические исследования. – 2014. – № 7. – C. 108–118.

6. Uvarov, V. M. (2015). Numerical modeling of the polar F region ionosphere taking into account the solar wind conditions. Adv. Space. Res. V. 56, I. 11. Pp. 2563–2574.

7. Lukianova, R. Yu. (2016). High-latitude F region large-scale ionospheric irregularities under different solar wind and zenith angle conditions. Adv. Space. Res. V. 59. Pp. 557–570.

8. Ларина, Т. Н. Исследование вариаций электронной концентрации в F-слое полярной ионосферы, обусловленных сменой знака by-компоненты межпланетного магнитного поля / Т. Н. Ларина, Г. М. Глебова // Инженерный вестник Дона. – 2019. – № 1.

9. Liu, J., Wang, W., Burns, A., Liu, L., & McInerney, J. (2017). A TIEGCM numerical study of the source and evolution of ionospheric F-region tongues of ionisation: Universal time and interplanetary magnetic field dependence. Journal Of Atmospheric And Solar-Terrestrial Physics, 156, 87-96. doi:10.1016/j.jastp.2017.03.005.

10. Уваров, В. М., Типы распределения электрических полей и соответствующие им типы конвекции в полярной ионосфере : Модель / В. М. Уваров, П. Д. Барашков // Геомагнетизм и аэрономия. – 1989. – Т. 29. – № 4. – C. 621–628.

11. Weimer, D. R. (1996). A flexible, IMG dependent model of high-latitude electric potentials having «space weather» applications. Geopys. Res. Letters. V. 23, N. 18. 1996. p. 2549-2552.

12. Колесник, А. Г. Трехмерная модель высокоширотной области F с учетом несовпадения географических и геомагнитных координат / А. Г. Колесник, И. А. Голиков // Геомагнетизм и аэрономия. – 1982. – Т. 22. – № 3. – С. 435–439.

13. Колесник, А. Г. Явление «полной тени» в верхней атмосфере Земли / А. Г. Колесник, И. А. Голиков // Доклады АН СССР. – 1984. – Т. 279. № 4. – С. 832–834.

14. Роль конвекции диффузии и потокообмена между ионосферой и магнитосферой в формировании основных структурных форм F-области полярной ионосферы / Н. К. Осипов, С. П. Чернышева, А. М. Можаев, Т. Н. Ларина // Динамические процессы и структура полярной ионосферы. – Апатиты, 1980. – С. 11–21.

15. Heppner, J. R. (1977). Empirical model of high-latitude electric field. J. Geophys. Res. V. 82, N 7. Pp. 1115–1125.

16. Тащилин, А. В. Моделирование свойств плазмосферы при спокойных и возмущенных условиях / А. В. Тащилин, Е. Б. Романова // Геомагнетизм и аэрономия. – 2014. – Т. 54. – № 1. – С. 13–22.

17. Голиков, И. А. Моделирование распределения температуры электронов в области F2 высокоширотной ионосферы для условий зимнего солнцестояния / И. А. Голиков, А. Ю. Гололобов, В. И. Попов // Солнечно-земная физика. – 2016. – Т. 2. – № 4. – C. 54–62.

18. Schunk, R., Nagy A. (1978). Electron temperature in the F regions of the ionosphere: theory and observations. Rev. Geophys. V. 16. Pp. 355–399.

19. David, M., Schunk, R., Sojka J. (2011). The effect of downward electron heat flow and electron cooling processes in the high-latitude ionosphere. J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. V. 73. Pp. 2399–2409. doi:10.1016/j.jastp.2011.08.009.

20. Picone, J. M., Hedin, A. E., Drob, D. P., Aikin A. (2002). NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues. J. Geophys. Res. V. 107. Pp. 1501–1516. doi:10.1029/2002JA009430.

21. Vorobyov, V., Yagodkina O., Katkalov Y. (2013). Auroral Precipitation Model and its application to ionospheric and magnetospheric studies J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. V. 102. Pp. 157–171. doi:10.1016/j.jastp.2013.05.007.

22. Fang, X., Randall, C., Lummerzheim, D., Solomon, S. (2008). Electron impact ionisation: A new parameterization for 100 ev to 1 MeV electrons. J. Geophys. Res. V. 113, A09311. doi:10.1029/2008JA013384.

23. Chapman, S. (1931). The absorption and dissociative of ionising effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotating earth. Proc. Phys. Soc. V. 43. Pp. 483–501. doi:10.1088/0959-5309/43/5/302.

24. Schunk, R.W., Nagy A. (2009). Ionospheres: physics, plasma physics, and chemistry. N.Y. : Cambridge University Press, 640 p.

25. Голиков, И. А. Численное моделирование теплового режима высокоширотной ионосферы / И. А. Голиков, А. Ю. Гололобов, В. И. Попов // Вестник Северо-Восточного федерального университета. – 2012. – Т. 9. –№ 3. – С. 22–28.

26. Samarskii, A. (2001). The theory of difference schemes. New York .: Basel. Marcel.