Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 2, стр. 292-296

ВВЕДЕНИЕ

Моделирование пространственного распределения интенсивностей свечения различных эмиссий и электронной концентрации в периоды магнитосферных возмущений имеет важное значение в вопросах диагностики и прогноза состояния возмущенной полярной ионосферы. Созданию глобальных моделей планетарного распределения аврорального свечения были посвящены работы [1, 2]. В качестве экспериментальной основы при создании таких моделей в этих работах были использованы эмпирические модели электронных высыпаний [3–5], при этом в обеих работах для проведения расчетов делалось априорное предположение о форме энергетического спектра потока высыпающихся электронов. В данной работе рассмотрено влияние формы энергетического спектра и средней энергии высыпающихся электронов на интегральную интенсивность авроральных эмиссий и содержание электронов в столбе полярного сияния.

ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭМИССИЙ

Введем понятие эффективности возбуждения оптической эмиссии как отношение интегральной интенсивности излучения с длиной волны λ к полному потоку энергии высыпающихся электронов:

где I_λ – интегральная интенсивность эмиссии, измеряемая в Рэлеях, F_Е – поток энергии высыпающихся электронов в эрг ⋅ см^–2 ⋅ с^–1.

Интегральная интенсивность соответствует суммарной интенсивности в вертикальном столбе полярного сияния и может быть рассчитана из высотного профиля объемной интенсивности излучения:

где: Q_λ(h) – величина объемной интенсивности излучения с длинной волны λ на высоте h в фотон ⋅ см^–3 ⋅ с¹.

Рассмотрим влияние параметров потока высыпающихся электронов на эффективность возбуждения эмиссий в вертикальном столбе полярных сияний. Под параметрами потока будем понимать форму энергетического спектра и среднюю энергию высыпающихся электронов. Для исследования были выбраны наиболее характерные эмиссии, наблюдаемые в полярных сияниях: эмиссия первой отрицательной системы полос ${\text{N}}_{2}^{ + }$ 1NG λ = 391.4 нм и эмиссии возбужденного атомарного кислорода OI λ = 557.7 нм и OI λ = = 630.0 нм.

Расчеты интенсивностей эмиссий проводились в рамках физико-химической модели возбужденной полярной ионосферы, представленной в работе [6], позволяющей рассчитывать высотные профили концентрации 17 основных возбужденных и ионизированных компонент атмосферных газов и электронную концентрацию во время авроральных высыпаний. Входными параметрами в этой модели являются энергетический спектр высыпающихся электронов на верхней границе ионосферы и модель нейтральной атмосферы. Перераспределение энергии, выделившейся вследствие высыпаний электронов, описывают 56 физико-химических реакций. Высотные профили скоростей образования возбужденных компонент атмосферных газов рассчитывались с использованием функции диссипации энергии и “энергетических цен”, полученных на основе результатов моделирования процесса переноса электронов в атмосферных газах, представленных в работе [7]. Расчеты проводились в модели нейтральной атмосферы MSIS-E-90, данные взяты с веб-сайта https://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/msis_vitmo.php. Для исследования были выбраны три вида энергетического спектра потока высыпающихся электронов: моноэнергетический, поток с экспоненциальным распределением по энергиям и поток с максвелловским распределением по энергиям соответственно:

Расчеты проводились для средних энергий в диапазоне от 0.1 до 20 кэВ, который является типичным для авроральных электронов, возбуждающих полярные сияния [3, 8, 9]. При моделировании излучения авроральных эмиссий необходимо учитывать величины альбедо-потоков, которые определяют долю энергии электронов, отраженную атмосферой. Доля отраженной энергии находится в зависимости от высоты источника электронов и энергии высыпающихся частиц [7]. Поэтому расчеты эффективностей возбуждения оптических эмиссий проводились для двух случаев, без учета альбедо-потоков и с их учетом, при этом источник электронов помещался на высоте 700 км.

Исследуем зависимости эффективностей возбуждения оптических эмиссий Eff_λ от средней энергии потока высыпающихся электронов Е_ср. Эмиссии первой отрицательной системы полос молекулярного азота возбуждаются только благодаря прямому возбуждению электронным ударом, следовательно, они могут служить эффективным инструментом для оценки процессов энергообмена между магнитосферой и ионосферой. На рис. 1 приведены рассчитанные зависимости эффективности возбуждения эмиссии 1NG ${\text{N}}_{2}^{ + }$ λ = 391.4 нм от средней энергии высыпающихся электронов Е_ср для трех видов энергетических спектров высыпающихся авроральных электронов (3). Из рисунка видно, что эффективность возбуждения оптической эмиссии λ = = 391.4 нм – Eff_391.4 – слабо зависит от формы начального дифференциального потока частиц (1). Максимальное отклонение Eff_391.4 от среднего значения в рассматриваемом диапазоне средней энергии электронов не превышают 8%.

На рис. 1 также приведены зависимости эффективностей от средней энергии высыпающихся электронов Eff_λ(Е_ср), рассчитанные для эмиссий возбужденного атомарного кислорода OI λ = = 557.7 нм и OI λ = 630.0 нм для трех видов энергетических спектров авроральных электронов (3). В отличие от эмиссии 1NG λ = 391.4 нм, в возбуждение перечисленных выше эмиссий кроме, прямого удара, вносят вклад процессы перераспределения энергии в результате химических реакций, что в значительной степени влияет на интенсивность эмиссий возбужденного атомарного кислорода. [6, 10]. Несмотря на этот факт, эффективности возбуждения этих эмиссий Eff_557.7 и Eff_630.0 также слабо зависят от формы энергетического спектра потока высыпающихся электронов. Максимальное отклонение от среднего значения не более 10%.

Таким образом, эффективности возбуждения рассматриваемых авроральных эмиссий Eff_λ зависят в основном от средней энергии высыпающихся электронов E_ср.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

Эффективность формирования электронной концентрации в столбе полярного сияния определим как отношение полного содержания электронной концентрации в столбе полярного сияния к величине потока энергии высыпающихся электронов:

где

В формулах: N_е – полное содержание электронной концентрации в столбе полярного сияния в см^–2, n_e(h) – концентрация электронов на высоте h в см^–3.

Электронная концентрация рассчитывалась в рамках физико-химической модели авроральной ионосферы [6] при условии термодинамического равновесия как сумма концентрации ионов на высоте h:

Рассмотрим влияние параметров спектра высыпающихся электронов на эффективность формирования полного содержания электронной концентрации. Для этого исследуем зависимости $Ef{{f}_{e}}$ от средней энергии высыпающихся электронов для трех видов энергетического спектра (3). Рассчитанные зависимости $Eff$(Е_ср) для средних энергий в диапазоне 0.1−20 кэВ приведены на рис. 2. Можно видеть, что максимальные отклонения Eff_e от среднего значения не превышают 5%. Таким образом, эффективность формирования электронной концентрации также, как и эффективности возбуждения оптических эмиссий, слабо зависит от формы спектра высыпающихся электронов и определяется их средней энергией.

ПРОГНОЗ ПЛАНЕТАРНОЙ КАРТИНЫ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

Слабая зависимость $Eff$_λ(Е_ср) от вида энергетического спектра потока высыпающихся электронов позволяет в алгоритмах, реализующих прогноз планетарного распределения интенсивности излучения в полярных сияниях на основе эмпирических моделей авроральных высыпания, использовать следующую связь:

где I_λ – интегральная интенсивность излучения эмиссии с длиной волны λ, F_Е и Е_ср – поток энергии и средняя энергия электронов, представленных в эмпирических моделях авроральных высыпаний.

Величина Eff_λ(Е_ср) определяется как усредненное значение соответствующих кривых на рис. 1.

Аналогично, для расчетов планетарного распределения электронной концентрации в столбе полярного сияния можно использовать формулу:

где N_е – полное содержание электронной концентрации в вертикальном столбе полярного сияния.

На рис. 3 приведены примеры планетарного распределения интенсивности свечения эмиссий λ = 391.4, 557.7 и 630.0 нм и электронной концентрации в столбе полярного сияния, рассчитанные с использованием формул (6) и (7), для трех уровней магнитных возмущений. Слабое возмущение: индексы AL и D_st равны −100 и −5 нТл соответственно, среднее возмущение: AL = −300 нТл и D_st = −5 нТл, сильное возмущение AL = −1000 нТл и D_st = −100 нТл. Расчеты были сделаны по данным эмпирической модели авроральных электронных высыпаний [9], где представлены пространственные распределения средних энергий и потока энергии высыпающихся электронов для разных уровней магнитной активности. На рисунке хорошо видны вариации как планетарного распределения, так и величин интенсивностей свечения авроральных эмиссий и содержания электронной концентрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано влияние параметров потока высыпающихся электронов на интенсивность эмиссий λ = 391.4, 557.7 и 630.0 нм и величину электронной концентрации в вертикальном столбе полярных сияний. В качестве параметров потока авроральных электронов рассматривались: форма энергетического спектра и средняя энергия высыпающихся электронов.

Введено понятие эффективности возбуждения оптической эмиссии Eff_λ, определяемое как отношение интегральной интенсивности излучения с длиной волны λ к полному потоку энергии высыпающихся электронов и, по аналогии, эффективности формирования полного содержания электронной концентрации в столбе полярного сияния Eff_е. Расчеты Eff_λ и Eff_е проводились для трех видов энергетического спектра авроральных электронов: моноэнергетического, экспоненциального и потока с максвелловским распределением. Средняя энергия варьировалась в диапазоне 0.1–20 кэВ, который является типичным для авроральных электронов. Показано, что эффективности Eff_λ и Eff_е слабо зависят от формы энергетического спектра и определяются в основном значениями средних энергий потока электронов.

Рассчитанные зависимости Eff_λ и Eff_е от средних энергий позволяют построить эффективные алгоритмы для расчета планетарного распределения интенсивностей свечения и полной электронной концентрации в полярных сияниях по данным эмпирических моделей электронных высыпаний, не делая априорных предположений о виде энергетического спектра потока высыпающихся электронов.