Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 2, стр. 213-218

1. ВВЕДЕНИЕ

В работах [Brace et al., 1982; Kofman, 1984] по экспериментальным данным были обнаружены эффекты повышения температуры электронов в субавроральной ионосфере – “горячие пятна”. Численному моделированию теплового режима высокоширотной ионосферы посвящeн ряд работ [Schunk et al., 1986; Клименко и др., 1991; Mingalev and Mingaleva, 2002; Prölss, 2006; David et al., 2011], где изучены причины формирования “горячих пятен”. Показано, что “горячие пятна” связаны с нисходящими потоками тепла, электрическими полями и пониженными значениями концентрации электронов n_e в области главного ионосферного провала (ГИП). Эти результаты были получены в основном для условий равноденствия и хорошо описывают такие структурные особенности пространственного распределения T_e, как “пятна”.

Цель настоящей работы – изучение путем сопоставления результатов численного моделирования и измерений на ИСЗ CHAMP особенностей пространственного распределения электронной температуры в области F высокоширотной ионосферы для зимних условий.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Расчеты проведены с помощью трехмерной модели высокоширотной ионосферы в эйлеровых переменных, учитывающей ее тепловой режим в интервале высот 120–500 км [Голиков и др., 2016]. Учтено несовпадение географического и геомагнитного полюсов, которое обусловливает UT-контроль параметров высокоширотной ионосферы [Гололобов и др., 2014]. На рисунке 1 приведено рассчитанное распределение концентрации n_e и температуры электронов T_e на высоте 300 км в 05 и 17 UT для условий средней солнечной активности в координатах местное время (долгота) – географическая широта. Концентрические окружности соответствуют географическим широтам, проведенным через 10°. Цифры у внешнего круга – местное время, а рядом в скобках – географическая долгота. Штриховая линия – положение терминатора при зенитном угле χ = 90°. Точка с двумя взаимно перпендикулярными линиями – геомагнитный полюс. Стрелками даны скорости движения ионов, обусловленные электрическим полем магнитосферной конвекции. Штрихпунктирная окружность – положение плазмопаузы, которая соответствует экваториальной границе области магнитосферной конвекции по модели “А” Хеппнера [Heppner, 1977]. Для расчета скорости корпускулярной ионизации использовалась модель авроральных высыпаний APM (Auroral Precipitation Model) [Vorobjev et al., 2013]. На высоте 500 км экваториальнее авроральных высыпаний задается нисходящий поток тепла Р = − 5 × 10⁹ эВ см⁻² с⁻¹ на геомагнитных широтах 58°−62° N [David et al., 2011], что соответствует субавроральным широтам. В 05 UT геомагнитный полюс находится вблизи полуночного меридиана, а в 17 UT – вблизи полуденного. На рисунке 1а видно, что в 05 UT плазмопауза и высокоширотная ионосфера находятся на ночной стороне и провал в широтном ходе n_e формируется во всех временных секторах субавроральной ионосферы экваториальнее области конвекции и высыпаний. В 17 UT часть области конвекции и высыпаний оказывается на освещенной стороне. В этот момент мирового времени провал n_e в широтном ходе, отождествляемый с ГИП согласно определению [Кринберг и Тащилин, 1984; Брюнелли и Намгаладзе, 1988], формируется только на затененной стороне (рис. 1б). Далее, в рассчитанном распределении Т_е видно, что в 05 UT, когда высокоширотная ионосфера находится на ночной стороне, область повышенной Т_е в субавроральной ионосфере принимает кольцеобразный вид (рис. 1в). В 17 UT, когда часть высокоширотной ионосферы освещена, область повышенных значений T_e имеет вид серпообразной зоны, совпадающей с положением ГИП в ночные часы (рис. 1г). В этих зонах T_e достигает ~3000 К и более.

Рис. 1.

Распределение концентрации электронов (а, б) (в ед. 10⁴ см⁻³) и температуры (в К) электронов (в, г) на высоте 300 км в 05 и 17 UT для условий зимнего солнцестояния.

3. СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

Для сопоставления взяты данные ИСЗ CHAMP с полярной орбитой 87.3° [Reigber et al., 2002]. Отличительной особенностью ИСЗ CHAMP является то, что спутник вследствие прецессии плоскости орбиты со скоростью ~1.36 град/сут с течением времени меняет траекторию полета и может пролетать над различными временными секторами [Xiong et al., 2013]. На рисунке 2 представлены данные измерений на ИСЗ CHAMP для зимних месяцев 2002–2009 гг. Регистрация повышений T_e (пики) вдоль траектории полета спутника в главном ионосферном провале позволяет изучить изменения пространственной картины области повышения T_e в субавроральной ионосфере в зависимости от UT. Как видно на рис. 2а, спутник пролетает близко к меридиональной плоскости “полдень–полночь”. Штрихпунктирной кривой показано положение плазмопаузы по Liu and Liu [2014]. Для учета асимметрии плазмопаузы аналогично выводам, из работы [Sojka et al., 1979] центр плазмопаузы (крестик) смещен на 5° в антисолнечном направлении относительно геомагнитного полюса (жирная точка). Траектория полета спутника показана жирной линией, а стрелка на линии указывает направление движения спутника. Отдельными стрелками показаны положения пиков Т_е, совпадающие с областью понижения электронной концентрации. На рисунке 2а видно, что в широтном ходе n_e в полуденном секторе под терминатором концентрация электронов начинает резко падать вследствие отсутствия эффективных источников ионизации, образуя дневной провал (~78° N). На ночной стороне ГИП располагается на широтах ниже (~54° N). В этих временных секторах формируются области повышенных T_e, пространственно совпадающие с дневным провалом и ГИП. Повышение T_e в полуденном секторе составляет ∆T_e ≈ 600 К относительно фонового, и ∆T_e ≈ 1200 К на ночной стороне. Видно, что с повышением уровня геомагнитной активности положение пиков смещается в экваториальном направлении (рис. 2б, 2в, 2г).

Рис. 2.

Траектории полета спутника CHAMP (вверху), профили температуры и концентрации электронов (внизу) вблизи меридиональной плоскости “полдень − полночь” при K_p = 0 (а), K_p = 3 (б), K_p = 4 (в) и K_p = 5 (г).

Рассмотрим измеренные профили T_e и n_e, полученные на ИСЗ CHAMP вдоль траекторий полета спутника, пересекающих другие временные сектора (рис. 3). При пролете спутника около меридиональной плоскости “утро−вечер” (рис. 3а) пики T_e регистрируются в вечернем (~67° N) и утреннем (~65° N) секторах вблизи плазмопаузы, где наблюдается ГИП. На рисунке 3б спутник пролетает через предполуночный и предполуденный сектора. Видно, что в обоих секторах также наблюдаются пики T_e. Причем положение предполуденного пика находится на высоких широтах (~77° N), а предполуночный пик наблюдается на широтах ниже ~52° N. Подобные ситуации наблюдаются и на рис. 3в и 3г.

Рис. 3.

Траектории полета спутника CHAMP (вверху), профили температуры и концентрации электронов (внизу), полученные в разных временных секторах при K_p = 0 (а), K_p = 1(б), K_p = 3 (в, г).

На рисунке 4 представлено пространственное распределение местоположений пиков T_e (точки) в координатах местное время – географическая широта по данным ИСЗ CHAMP. Рассмотрены траектории полета спутника, пересекающие субавроральную ионосферу в интервале 04–07 UT (рис. 4а) и 16–19 UT (рис. 4б). Как видно на рис. 4а, пики T_e пространственно образуют кольцеобразную область, а на рис. 4б – область в виде серпа, что согласуется с результатами численных расчетов (рис. 1). Для интервала 04–07 UT всего было рассмотрено 356 пролетов с регистрацией пиков T_e, из которых 254 – с двумя пиками вдоль одной траектории, как на рис. 2 и 3.

Рис. 4.

Пространственное распределение местоположений пиков T_e (точки) в координатах местное время – географическая широта по данным ИСЗ CHAMP в интервалах 04–07 UT (а) и 16–19 UT (б). Положение плазмопаузы задано по модели Хеппнера, как на рис. 1.

Отметим, что специфичность спутниковых измерений не дает мгновенную картину распределения T_e в высокоширотной ионосфере, как в случае модельных расчетов. Поэтому приходится использовать для сопоставления обобщенные результаты измерений за длительный период. В дальнейших исследованиях будут привлечены изображения, полученные с высокоорбитальных спутников на длине волны λ = 630 нм, глобальной картины пространственного распределения красных дуг, возникающих в субавроральной ионосфере в результате влияния кольцевого тока. Как известно, в области красных дуг T_e повышена [Maier et al., 1975].

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе сопоставления результатов модельных расчетов и данных измерений T_e, полученных на ИСЗ CHAMP, можно сделать вывод о том, что зимой в интервале 04–07 UT в условиях притока тепла из магнитосферы можно ожидать формирования кольцеобразной области в субавроральной ионосфере, окружающей авроральный овал, где температура электронов значительно выше фоновой (T_e ≥ 2000 К). Это связано с тем, что в данном интервале мирового времени высокоширотная ионосфера, включая субавроральную, в ходе суточного вращения Земли вокруг своей оси оказывается на ночной (затененной) стороне с образованием области пониженных значений электронной концентрации во всей субавроральной ионосфере в глобальном масштабе, где и происходит повышение T_e вследствие притока тепла сверху.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты № 15-45-05090-р_восток_а и 15-45-05066-р_восток_а.