Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы

Диссертация посвящена исследованию физических процессов, протекающих в спокойной и магнитно-возмущенной термосфере Земли, методом математического моделирования с использованием теоретической самосогласованной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), рассматривающей термосферу, ионосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему, и эмпирических моделей, описывающих состав и тепловой режим термосферы Земли NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended) или сокращенно MSIS, а также термосферную горизонтальную циркуляцию HWM93 (Horizontal Wind Model).

Актуальность проблемы. Важность изучения процессов в термосфере Земли связана с тем, что изменения плотности нейтральной атмосферы определяют торможение и время жизни искусственных спутников Земли. Нейтральная атмосфера является причиной существования ионосферы, поэтому любые изменения, происходящие в ее химическом составе, тепловом или ветровом режиме, оказывают влияние на ионный состав и концентрацию электронов в ионосфере, и через это — на условия радиосвязи и радионавигации. В свою очередь, ионосфера передает нейтральному газу энергию солнечного ионизирующего излучения по цепочке фотоны — фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и энергию солнечного ветра через нагрев токами и дрейфами плазмы, изменяя тепловой режим термосферы и термосферную циркуляцию.

Одним из методов исследования атмосферы является математическое моделирование, которое представляет собой количественное описание пространственных и временных вариаций атмосферных параметров. Такое описание может быть представлено двумя способами. Во-первых, в виде таблиц и графиков, полученных путем усреднения данных наблюдений, их систематизации и аппроксимации с помощью аналитических формул. Объединенные вместе таблицы, графики и аппроксимирующие формулы представляют собой так называемые эмпирические модели.

Во-вторых, в виде системы уравнений динамики атмосферы, которые решаются теми или иными численными методами. Такая совокупность математических уравнений, описывающих действующие в среде физические законы, начальных и граничных условий, численных методов, алгоритмов решения и программ численной и компьютерной реализаций алгоритмов, называется теоретической, численной или математической моделью.

Эмпирические модели, основанные на осреднении данных наблюдений, сглаживают изменения в составе, температурном и ветровом режиме, особенно в возмущенных условиях. Это обусловлено тем, что экспериментальных данных о вариациях параметров термосферы недостаточно из-за отсутствия регулярных наблюдений на разных широтах, высотах, в разное время суток в силу ограниченности траекторий спутников и наземных пунктов наблюдений, и пробелы в данных наблюдений заполняются путем интерполяции и экстраполяции.

В теоретических самосогласованных моделях для получения адекватных результатов должны быть учтены фотохимия, динамика и энергетика как нейтральных, так и заряженных частиц, взаимодействие между ними и взаимосвязь различных областей околоземного пространства. Теоретические модели позволяют проводить численные эксперименты с учетом или, наоборот, с исключением из модели различных физических процессов, что позволяет оценивать влияние этих процессов на те или иные атмосферные параметры и интерпретировать экспериментальные данные.

Следует отметить, что эмпирические и теоретические модели должны использоваться в комплексе. В частности, эмпирические модели можно применять для создания начальных и граничных условий для теоретических моделей, а так же для сравнения результатов, полученных с помощью теоретических и эмпирических моделей между собой и с экспериментом. Такое сравнение позволяет корректировать модели и повышать их адекватность в описании реальной атмосферы.

Цель диссертационной работы — провести исследование и дать физическую интерпретацию выявленных в последние годы с помощью радарных и спутниковых наблюдений особенностей поведения термосферы Земли, связанных с термосферно-ионосферным взаимодействием, как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях с помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), сопоставить полученные результаты с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended), или сокращенно MSIS и термосферного ветра HWM93 (Horizontal Wind Model) и экспериментальными данными, и выяснить какие модели наиболее адекватно воспроизводят реальные геофизические условия.

Для достижения цели были поставлены задачи: 1. На основе численных экспериментов с помощью модели UAJVI определить чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных и граничных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования.

2. Провести сопоставление основных термосферных параметров, рассчитанных по модели UAM с данными современных эмпирических моделей температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для периодов конкретных геомагнитных бурь.

3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM определить как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параме тров термосферы.

4. С помощью модели UAM определить относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы на высоте ~ 400 км.

5. Выявить механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне.

Для изучения влияния спокойных и геомагнитно-возмущенных условий на состав, тепловой и ветровой режимы термосферы был выбран апрель 2002 года. В этот период произошли сильные магнитные бури, которые были предсказаны заранее из наблюдений за активностью Солнца, и для наблюдения за ними была организована целая международная кампания. Совместно работали практически все (7) установки некогерентного рассеяния в диапазоне широт от 29,4°N до 74,1°N, а так же велись наблюдения со спутников. Такие скоординированные действия позволили собрать обширные экспериментальные данные, особенно по ионосферным параметрам, таким как, электронная концентрация, электронная и ионная температура и скорость дрейфа. Из радарных измерений в обсерватории Миллстоун Хилл были извлечены значения скорости термосферного ветра над установкой некогерентного рассеяния, а спутниковые измерения позволили получить данные о плотности нейтрального газа.

В этот же период времени (2002 год) акселерометром спутника CHAMP проводились измерения плотности нейтрального газа на высотах около 400 км. Измерения выявили ранее неизвестную особенность в глобальном распределении плотности — на дневной стороне в приэкваториальной области был обнаружен ее минимум. Эта и другие особенности поведения термосферы в указанный период времени и явились предметом исследования диссертационной работы.

Метод исследования. Исследование поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли UAM, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. В модели UAM решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а так же уравнение для потенциала электрического поля. В модели реализована возможность подключения в виде отдельных модулей эмпирических моделей теплового режима и состава термосферы NRLMSISE-00 и скорости горизонтального термосферного ветра HWM93, что позволяет не только рассчитывать основные термосферные параметры путем решения уравнений, но и получать напрямую из эмпирических моделей.

Научная новизна проведенных исследований определяется как использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (UAM) в качестве инструмента исследований глобальной динамики термосферы в комплексе с эмпирическими моделями термосферы и экспериментальными данными о параметрах термосферы, так и результатами, полученными впервые:

1. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы, как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней термосферы (~400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.

2. На основе численных экспериментов с помощью модели UAM впервые определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы.

3. Впервые предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны — фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что они могут быть использованы как для интерпретации данных наблюдений, так и для совершенствования эмпирических моделей верхней атмосферы как параметров, необходимых для вычисления торможения искусственных спутников Земли и других космических аппаратов. Последнее в значительной степени относится к результатам сопоставления модели UAM с моделью NRLMSISE-00.

Достоверность полученных результатов обусловлена физической обоснованностью известных исходных уравнений и принципов, на которых базируется глобальная численная модель верхней атмосферы UAM, согласием результатов расчетов как с данными измерений параметров термосферы, так и с эмпирическими моделями атмосферы, как обобщением экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

1. Выявленная степень точности глобальной теоретической модели верхней атмосферы Земли UAM по параметрам верхней термосферы. Установлено, в частности, что погрешности модели UAM сопоставимы с погрешностями современных эмпирических моделей как для спокойных периодов, так и для периодов геомагнитных бурь. При этом UAM, в отличие от модели MSIS, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц. Термосферная циркуляция по UAM, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.

2. Установленный относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часыоценена относительная роль основных процессов в глобальной перестройке термосферы в период конкретных геомагнитных бурь.

3. Выявленный механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны — фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Личный вклад автора. Автором с помощью модели UAM выполнены модельные расчеты и численные эксперименты по изучению поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях. По результатам расчетов построены карты глобального распределения и временные вариации основных термосферных параметров, проведен анализ и дана физическая интерпретация полученных результатов. Автор принимала участие в обсуждении, подготовке и написании тезисов, статей и докладов по теме диссертации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск 2002, 2003) — Международных научно-технических конференциях «Наука и образование» (Мурманск 2004, 2005, 2006, 2008, 2009) — XXV-XXXI семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты 2002 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009) — European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006) — 4th, 5th, 6th и 7th International Conference «Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008) — IUGG XXIV General Assembly (Perugia, Italy, 2007).

По теме диссертации опубликована 31 работа, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 12 работ в трудах научных конференций и 16 тезисов докладов.

Структура диссертации. Данная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 123 страницы текста, в том числе 25 рисунков и 17 страниц библиографии, содержащих 213 ссылок.

Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. На основе численных экспериментов с помощью глобальной модели верхней атмосферы Земли UAM определена чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования, что позволило выделить наиболее устойчивые закономерности этой динамики, включая асимметрию день-ночь в амплитуде изменения параметров термосферы при переходе от спокойных условий к периодам геомагнитных бурь, существование двухвихревой структуры термосферных ветров в высоких широтах и экваториального минимума в плотности верхней термосферы.

2. На основе сравнения численной модели верхней атмосферы UAM с современными эмпирическими моделями температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для конкретных геомагнитных бурь показано, что в целом погрешности модели UAM сопоставимы с погрешностями эмпирических моделей. При этом модель UAM, в отличие от модели MSIS, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц в верхней термосфере. Термосферная циркуляция по модели UAM, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.

3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней тсрмосферы (~400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.

4. На основе численных экспериментов с помощью модели UAM определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы.

5. Предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны — фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.

Таким образом, в результате проделанной работы были решены поставленные задачи изучения глобальной структуры и динамики термосферы Земли в спокойных и возмущенных условиях методами математического моделирования, выделения на этой основе новых свойств термосферы и интерпретации этих свойств.

Заключение

.

Таким образом, в диссертации проведено исследование особенностей поведения термосферы Земли как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях. Исследованы пространственно-временные вариации температуры и плотности нейтрального газа, концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота, отношения концентраций O/N2, скорости термосферного ветра на высотах вблизи максимума Р2-слоя, где состав и тепловой режим термосферы оказывают большое влияние на процессы в ионосфере.

Исследование проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли UAM, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. Получены решения физических связанных нелинейных уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а также уравнения для потенциала электрического поля для различных геофизических условий с различными входными параметрами и граничными условиями. В ходе расчетов применялись различные шаги пространственного и временного интегрирования.

Результаты расчетов представлены в виде карт глобального распределения и временных вариаций исследуемых параметров на фиксированных высотах, а не для фиксированных уровней давления, как это обычно делают, что позволило провести сопоставление полученных результатов с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы (NRLMSISE-00) и термосферного ветра (HWM93) и экспериментальными данными. Полученные результаты были проанализированы и дана их физическая интерпретация.