Исследование вычислительной устойчивости модели высокоширотной ионосферы

Ионосферная  плазма  в  области  высоких  широт  представляет  собой  сложную  для описания  среду  вследствие  зависимости  ее  параметров  от  гелиогеофизических  условий.  На ее  крупномасштабную  структуру  влияют  такие  процессы,  как  магнитосферная  конвекция, плазмосферные  потоки  частиц  и  тепла,  а  также  высыпание  энергичных  частиц  в  области  аврорального  овала.  Эти  процессы  являются  нестационарными,  и  в  периоды  повышения  геомагнитной  активности  их  характеристики  существенно  изменяются.  Поэтому  моделирование высокоширотной  ионосферы  связано  с  разработкой  модели,  обладающей  вычислительной устойчивостью  численного  решения  при  достаточно  высоком  пространственно-временном разрешении.  С  этой  целью  в  настоящей  работе  проведено  исследование  вычислительной устойчивости численной модели высокоширотной ионосферы (эйлеров подход) при задании разных шагов интегрирования по времени и по пространству. Показано, что модель ионосферы при всех выбранных  шагах  сохраняет  вычислительную  устойчивость,  а  результаты  численных  расчетов качественно  совпадают  и  описывают  основные  крупномасштабные  структурные  образования высокоширотной ионосферы. Полученные результаты показали, что разработанная модель может быть  использована  в  исследовании  нестационарных  процессов,  протекающих  в  ионосферной  плазме, а также в исследовании ионосферы в период магнитных бурь и суббурь.

1. Nishida A. Average structure and storm-time change of polar topside ionosphere at sunspot minimum. J. Geophys. Res., 1967;72(23):6051-6061.

2. Мизун, Ю. Г. Полярная ионосфера / Ю. Г. Мизун. – Ленинград : Наука, 1980. – 216 с.

3. Гальперин, Ю. И. Прямые измерения скорости дрейфа ионов в верхней ионосфере во время магнитной бури. II. Результаты измерений во время магнитной бури 3 ноября 1967 г. / Ю. И. Гальперин, В. Н. Пономарев, А. Г. Зосимова // Космические исследования. – 1973б. – Т. 1. – № 2. – С. 284–296.

4. Spiro RW. Rapid subauroral ion drifts observed by Atmospheric Explorer. Geophys. Res. Lett., 1979;6(8):657-660.

5. Поляризационный джет : узкие и быстрые дрейфы субавроральной ионосферной плазмы / А. Е. Степанов, В. Л. Халипов, И. А. Голиков, Е. Д. Бондарь // РАН, Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера. – Якутск, 2017. – 175 с.

6. 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.

7. 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.

8. Гололобов, А. Ю. Моделирование высокоширотной ионосферы с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов / А. Ю. Гололобов, И. А. Голиков, В. И. Попов // Вестник Северо-Восточного федерального университета. – 2014. – Т. 11. – № 2. – С. 46–54.

9. Golikov I. Universal time control of the parameters of the electron temperature enhancement zone in the winter subauroral ionosphere. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics., 2020;211. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.105458

10. Schunk R. Electron temperature in the F regions of the ionosphere: theory and observations. Rev. Geophys., 1978;16:355–399.

11. David M. The effect of downward electron heat flow and electron cooling processes in the high-latitude ionosphere. J. Atmos. and Solar-Terr. Phys., 2011;73:2399–2409. doi:10.1016/j.jastp.2011.08.009.

12. Picone JM. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues. J. Geophys. Res., 2002;107:1501–1516. doi:10.1029/2002JA009430.

13. Vorobyev V. Auroral Precipitation Model and its application to ionospheric and magnetospheric studies, J. Atmos. and Solar-Terr. Phys., 2013;102:157–171. doi:10.1016/j.jastp.2013.05.007.

14. Fang X. Electron impact ionisation: A new parameterisation for 100 ev to 1 MeV electrons. J. Geophys. Res., 2008;113. A09311. doi:10.1029/2008JA013384.

15. Chapman S. The absorption and dissociative of ionising effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotation. Earth. Proc. Phys. Soc., 1931;43:483–501. doi:10.1088/0959-5309/43/5/302.

16. Heppner JR. Empirical model of high-latitude electric field. J. Geophys. Res., 1977;82(7):1115-1125.

17. 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.

18. Schunk RW. Ionospheres: physics, plasma physics, and chemistry. NY: Cambridge University Press, 2009:640 p.

19. Samarskiy A. The theory of difference schemes. New York: Basel. Marcel., 2001.