Численное моделирование эффектов магнитосферной конвекции, высыпаний и продольных токов второй зоны во время последовательности геомагнитных бурь 9-14 сентября 2005 года

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.388.2

Численное моделирование эффектов магнитосферной конвекции, высыпаний и продольных токов второй зоны во время последовательности геомагнитных бурь 9-14 сентября 2005 года

М.В. Клименко, В.В. Клименко*

*Западное отделение ИЗМИРАН им. Н.В. Пушкова,

236010, Калининград, Россия, пр. Победы, 41, E-mail: maksim.klimenko@mail.ru

Данная работа посвящена исследованиям методами математического моделирования влияния различных входных параметров модели на поведение ионосферы во время последовательности геомагнитных бурь.

ионосфера, геомагнитная буря, электрическое поле, моделирование

numerical Simulation Effects of magnetospheric convection, Particle Precipitation and field aligned currents of the second region during sequense of geomagnetic storms september 9-14, 2005

M.V. Klimenko, V.V. Klimenko

The given research is devoted to investigations by mathematical modeling methods the influence of various model input parameters on the ionosphere behavior during geomagnetic storm sequence.

Численному моделированию ионосферных эффектов бурь посвящено большое число исследований [1-9]. В этих работах моделировались положительные и отрицательные эффекты ионосферных бурь, вызванные изменениями параметров термосферы, тепловой режим верхней атмосферы на различных фазах развития ионосферных бурь, проникновение поля магнитосферной конвекции к низким широтам и возмущенное ионосферное динамо, влияние внешней ионосферы и магнитосферы на поведение F-области ионосферы во время бурь. Было показано, что основными механизмами формирования ионосферных возмущений являются вариации параметров термосферы. Так, положительные ионосферные возмущения на средних широтах согласно ранним работам [10] формируются меридиональной компонентой термосферного ветра, а отрицательные возмущения - вариациями состава термосферы, т.е. изменениями отношения n(O)/n(N2).

Данное исследование посвящено численному моделированию ионосферных эффектов последовательности бурь 9-14 сентября 2005 года.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИРУЕМОГО ЯВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ моделирование геомагнитный буря ионосферный

На рис. 1 показано поведение индексов геомагнитной активности за рассматриваемый период времени. Слабая геомагнитная буря с внезапным началом в 14:01 UT наблюдалась 9 сентября 2005 года. В этот же день произошла вспышка на Солнце, которая была одной из десяти самых мощных вспышек, зарегистрированных за всю историю. Следует отметить высокую вспышечную активность в рассматриваемый период времени, в течение которого произошло 7 вспышек. Десятого сентября наблюдалась слабая геомагнитная буря с внезапным началом около 06:00 UT, которая сменилась сильной магнитной бурей с внезапным началом в 01:14 UT 11 сентября 2005 года. Эта буря продолжалась вплоть до 15 сентября 2005 года и вызвала усиление авроральной активности, нарушение радиосвязи и ионосферную бурю. Индекс солнечной активности F10.7 для этого периода менялся в пределах от 101 до 120.

Рис. 1. Поведение Kp-, AE- и Dst-индексов геомагнитной активности 9-14 сентября 2005 года

В большинстве модельных исследований реакции ионосферы на магнитосферные бури входным параметром является разность потенциалов через полярные шапки. Не все исследователи используют в своих расчетах изменения потока высыпающихся частиц. И буквально единицы рассчитывают ионосферные эффекты бури с учетом изменения продольных токов второй зоны. Поэтому мы решили продемонстрировать в данной работе вклад каждого из этих входных параметров. В модельных расчетах разность потенциалов, высыпания авроральных частиц и продольные токи второй зоны задавались как функции от Kp-индекса геомагнитной активности. Разность потенциалов через полярные шапки задавалась согласно [11], высыпания энергичных частиц (потоки и энергия) по модели [12], продольные токи второй зоны на основе морфологических представлений [13, 14]. При этом продольные токи второй зоны изменялись с получасовым запаздыванием относительно изменений Kp-индекса и разности потенциалов через полярные шапки, которые происходили синфазно. Было проведено большое количество численных экспериментов с различным заданием входных параметров.

Расчеты ионосферных эффектов описанной выше последовательности бурь были выполнены с использованием Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы, Ионосферы и Протоносферы (ГСМ ТИП) [15, 16], модифицированной в части расчета электрических полей динамо- и магнитосферного происхождения [17, 18].

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ

Далее показаны результаты расчетов критической частоты F2-слоя ионосферы foF2 над станциями Иркутской долготной цепочки (Норильск, Якутск, Иркутск, Hainan) и над станцией Millstone Hill для различных вариантов задания входных параметров модели. Пунктирными линиями изображены результаты расчетов для спокойных условий, светлыми и темными кружками - данные наземного зондирования для спокойных и возмущенных условий в Якутске и Иркутске.

При моделировании спокойных условий разность потенциалов через полярные шапки Д = 35,7 (кВ) задавалась на геомагнитных широтах 75°. Продольные токи 2-й зоны j2 = 310-8 А/м2 Ї на геомагнитных широтах 70°.

Рассмотрим эффекты магнитосферной конвекции и дополнительных высыпаний.

Буря с дополнительными высыпаниями

Д = 26,4 + 13,3Kp (кВ) задается на геомагнитных широтах 75° [11].

j2 = 310-8 (A/m2) задаются на геомагнитных широтах 70°.

Отношение потока высыпающихся частиц во время бури, FluxStorm, к потоку высыпающихся частиц в спокойных условиях, FluxQuiet, выбирается следующим образом: FluxStorm/FluxQuiet = -3,5 + 6,5Kp. При этом задается поворот максимума высыпаний из полуночного сектора местного времени в утренний.

Рис. 2. Эффекты в foF2 магнитосферной конвекции без высыпаний (тонкие сплошные линии) и с высыпаниями (жирные сплошные линии) для станций: а) Норильск, б) Якутск, в) Иркутск, г) Hainan, д) Millstone Hill

На рис. 2 показаны эффекты магнитосферной конвекции без учета высыпаний и продольных токов 2-й зоны и эффекты дополнительных высыпаний энергичных частиц. Видно, что учет только магнитосферной конвекции приводит в основном к отрицательным возмущениям на всех рассмотренных станциях. Дополнительные высыпания приводят к значительным эффектам в ночное время.

Рассмотрим эффекты дополнительных продольных токов 2-й зоны.

Буря с дополнительными высыпаниями и продольными токами 2-й зоны

Д = 26,4 + 13,3Kp (кВ) задается на геомагнитных широтах 75° [11].

j2 = 1,610-8 + 210-8Kp (A/m2) задается на геомагнитных широтах 65° и меняется с запаздыванием 0,5 ч относительно вариаций Д .

FluxStorm/FluxQuiet = -3,5 + 6,5Kp. При этом задается поворот максимума высыпаний из полуночного сектора местного времени в утренний и получасовое запаздывание вариаций FluxStorm относительно изменений Д.

Рис. 3. Эффекты в foF2 магнитосферной конвекции с дополнительными высыпаниями без учета (тонкие сплошные линии) и с учетом (жирные сплошные линии) продольных токов 2-й зоны для тех же станций, что и на рис. 2

На рис. 3 показаны эффекты магнитосферной конвекции с учетом высыпаний без дополнительных продольных токов 2-й зоны и с дополнительными продольными токами 2-й зоны. Изменения продольных токов в основном вызывают эффекты на рассматриваемых станциях в ночное время.

Рассмотрим эффекты широтного сдвига дополнительных продольных токов 2-й зоны.

Буря с дополнительными высыпаниями и продольными токами 2-й зоны, с широтным сдвигом, зависящим от Kp-индекса

Д = 26,4 + 13,3Kp (кВ) задается на геомагнитных широтах 75° [11].

j2 = 1,610-8 + 210-8Kp (A/m2) изменяется с запаздыванием 0,5 ч относительно изменений Д и задается на геомагнитных широтах:

1) 70° при Kp ? 2,5; 2) 65° при 2,5 < Kp ? 5; 3) 60° при 5 < Kp ? 7,5; 4) 55° при 7,5 < Kp.

FluxStorm/FluxQuiet = -3,5 + 6,5Kp. При этом задается поворот максимума высыпаний из полуночного сектора местного времени в утренний и получасовое запаздывание вариаций FluxStorm относительно изменений Д.

Рис. 4. Эффекты в foF2 магнитосферной конвекции с дополнительными высыпаниями и продольными токами 2-й зоны без широтного сдвига (тонкие сплошные линии) и с учетом широтного сдвига (жирные сплошные линии) для тех же станций, что и на рис. 2

На рис. 4 показан эффект такого широтного сдвига.

После проведения численных экспериментов, описанных выше, в окончательном варианте расчетов мы остановились на следующих зависимостях от Kp-индекса изменений разности потенциалов через полярные шапки, изменений и поворота высыпаний энергичных частиц, изменений и широтного сдвига продольных токов 2-й зоны.

Буря - окончательный вариант

Д = 26,4 + 13,3Kp (кВ) задается на геомагнитных широтах 75° [11].

j2 = 2,7810-8 + 0,3210-8Kp (А/м2) изменяется с запаздыванием 0,5 ч относительно изменений Д и задается на геомагнитных широтах:

1) 70° при Kp ? 3; 2) 65° при 3 < Kp ? 6; 3) 60° при 6 < Kp.

FluxStorm/FluxQuiet = 0,55 + 0,64Kp. При этом задается поворот максимума высыпаний из полуночного сектора местного времени в утренний и получасовое запаздывание вариаций FluxStorm относительно изменений Д [12].

Рис. 5. Эффекты в foF2 магнитосферной конвекции с дополнительными высыпаниями и продольными токами 2-й зоны с учетом широтного сдвига (жирные сплошные линии) и магнитосферной конвекции без высыпаний и продольных токов 2-й зоны (тонкие сплошные линии) для тех же станций, что и на рис. 2

Результаты этого варианта расчетов показаны на рис. 5. Сравнение результатов модельных расчетов с экспериментальными данными ионосферных станций Якутск и Иркутск выявляет удовлетворительное качественное согласие. Причина количественных различий результатов расчетов и наблюдений заключается в следующем.

Во-первых, изменения разности потенциалов через полярные шапки, амплитуды продольных токов 2-й зоны и интенсивности высыпаний энергичных частиц задавались как функции от Kp-индекса, который не меняется в течение трех часов. В дальнейшем предполагается использовать зависимость входных параметров не от Kp-, а от AE-индекса с временным разрешением несколько минут. Это, на наш взгляд, позволит приблизить результаты расчетов к эксперименту.

Во-вторых, использование в модели дипольного геомагнитного поля не позволяет учесть реально наблюдающееся во время бурь искажение геомагнитного поля, т.е. сжатие (расширение) его силовых линий на дневной стороне магнитосферы и расширение (сжатие) на ночной стороне магнитосферы с ростом (уменьшением) геомагнитной активности. Именно сжатием геомагнитного поля на дневной стороне можно объяснить дополнительный вклад в положительное возмущение электронной концентрации над рассмотренными станциями днем, поскольку при сжатии уменьшается объем плазменной трубки, что должно приводить к росту электронной концентрации. К сожалению, в настоящее время модель ГСМ ТИП не описывает этот процесс. Для его учета необходимо вместо дипольного приближения геомагнитного поля использовать реальное геомагнитное поле.

И, наконец, в-третьих, проведенные нами в последнее время модельные расчеты ионосферных эффектов солнечных вспышек позволяют утверждать, что их учет в течение рассматриваемого временного интервала с 9 по 14 сентября 2005 года может улучшить описание поведения foF2 в дневное время, которое пока описывается недостаточно хорошо.

Заключение

1. В данном исследовании рассмотрены результаты модельных расчетов ионосферных эффектов в foF2 временных вариаций разности потенциалов через полярные шапки, высыпаний энергичных частиц и продольных токов 2-й зоны во время геомагнитных бурь.

2. Сравнение результатов модельных расчетов с экспериментальными данными для различных ионосферных станций выявляет удовлетворительное качественное согласие.

3. Причинами количественных различий результатов расчетов и наблюдений могут являться использование 3-часового Kp-индекса при моделировании временной зависимости входных параметров модели, использование дипольного приближения геомагнитного поля и отсутствие в модельных расчетах эффектов солнечных вспышек, имевших место в рассматриваемый период времени.

Работа поддержана Грантом РФФИ №08-05-00274.

Список литературы

1. Mayr H.G. Significance of Large-Scale Circulation in Magnetic Storm Characteristics With Application to AE-C Neutral Composition Data/H.G. Mayr, A.E.Hedin//J. Geophys. Res. - 1977. - Vol.82. - №7. - P.1227-1234.

2. Намгаладзе А.А. Численное моделирование ионосферных бурь/А.А. Намгаладзе, Л.П. Захаров, А.Н. Намгаладзе//Геомагнетизм и аэрономия. - 1981. - Т.21. - №2. - С.259-265.

3. Maeda S. Zonally Averaged Dynamical and Compositional Response of the Thermosphere to Auroral Activity During September 18-24, 1984/S. Maeda, T.J. Fuller-Rowell, D.S. Evans//J. Geophys. Res. - 1989. - Vol. 94. - №A12. - P.16869-16883.

4. Sojka J.J. Ionospheric response to the sustained high geomagnetic activity during the March'89 great storm/J.J. Sojka, R.W. Schunk, W.F Denig//J. Geophys. Res. - 1994. - Vol.99. - №A11. - P.21341-21352.

5. Fuller-Rowell T. Observed and modeled thermosphere and ionosphere response to superstorms/T. Fuller-Rowell, M. Codrescu, N. Maruyama, M. Fredrizzi, E. Araujo-Pradere, S. Sazykin, G. Bust//Radio Sci. - 2007. - Vol.42. - RS4S90. - doi:10.1029/2005RS003392.

6. Reddy C.A. Storm-time penetration to low latitudes of magnetospheric-ionospheric convection and convection-driven thermospheric winds/C.A. Reddy, H.G. Mayr// Geophys. Res. Lett. - 1998. - Vol.25. - №16. - P.3075-3078.

7. Fцrster M. Thermospheric composition changes deduced from geomagnetic storm modeling/M. Fцrster, A.A. Namgaladze, R.Y. Yurik//Geophys. Res. Lett. - 1999. - Vol.26. - №16. - P.2625-2628.

8. Maruyama N. Interaction between direct penetration and disturbance dynamo electric fields in the storm-time equatorial ionosphere/N. Maruyama, A.D. Richmond, T.J. Fuller-Rowell, M.V. Codrescu, S. Sazykin, F.R. Toffoletto, R.W. Spiro, G.H. Millward//Geophys. Res. Lett. - 2005. - Vol.32. - L17105. - doi:10.1029/2005GL023 763.

9. Lu G. A dayside ionospheric positive storm phase driven by neutral winds/G. Lu, L.P. Goncharenko, A.D. Richmond, R.G. Roble, N. Aponte//J. Geophys. Res. - 2008. - Vol.113. - A08304. - doi:10.1029/2007JA012895.

10. Mayr H.G. Magnetic Storm Characteristics of the Thermosphere/H.G. Mayr, H. Volland//J. Geophys. Res. - 1973. - Vol.78. - №13. - P.2251-2264.

11. Feshchenko E.Yu. Relations of the polar cap voltage to the geophysical activity/E.Yu. Feshchenko, Yu.P. Maltsev//Physics of Auroral Phenomena: XXVI Annual Seminar (February 25-28, 2003): Proc./PGI KSC RAS.- Apatity, 2003. - P.59-61.

12. Zhang Y. An empirical Kp-dependent global auroral model based on TIMED/GUVI FUV data/Y. Zhang, L.J. Paxton//J. Atmos. Solar-Terr. Phys. - 2008. - Vol.70. - P.1231-1242.

13. Iijima T. Field-Aligned Currents in the Dayside Cusp Observed by Triad/T. Iijima, T.A. Potemra//J. Geophys. Res. - 1976. - Vol.81. - №34. - P.5971-5979.

14. Kikuchi T. Penetration of magnetospheric electric fields to the equator during a geomagnetic storm/T. Kikuchi, K.K. Hasimoto, K. Nozaki//J. Geophys. Res. - 2008. - Vol.113. - A06214. - doi:10.1029/2007JA012628.

15. Namgaladze A.A. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system/A.A. Namgaladze, Yu.N. Korenkov, V.V. Klimenko, I.V. Karpov, F.S. Bessarab, V.A. Surotkin, T.A. Glushenko, N.M. Naumova//Pure and Applied Geophysics (PAGEOPH). - 1988. - Vol.127. - №2/3. - P.219-254.

16. Намгаладзе А.А. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли/А.А. Намгаладзе, Ю.Н. Кореньков, В.В. Клименко, И.В. Карпов, Ф.С. Бессараб, В.А. Суроткин, Т.А. Глущенко, Н.М. Наумова// Геомагнетизм и аэрономия. - 1990. - Т.30. - №4. - С.612-619.

17. Клименко В.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли - Постановка задачи и тестовые расчеты/В.В. Клименко, М.В. Клименко, В.В. Брюханов//Математическое моделирование. - 2006. - Т.18. - №3. - С.77-92.

18. Клименко М.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли - Динамополе и экваториальный электроджет/М.В. Клименко, В.В. Клименко, В.В. Брюханов//Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. - Т.46. - №4. - С.485-494.

Размещено на Allbest.ru