Химическая физика, 2022, T. 41, № 5, стр. 771-83

ВВЕДЕНИЕ

Ранее было показано [1–3], что нейтральный состав термосферы играет одну из ключевых ролей в формировании пространственного распределения и временны́х вариаций заряженной компоненты ионосферной плазмы. Поскольку атомарный кислород является основным источником ионизации в F-области ионосферы, а молекулярный азот определяет основные потери доминирующих ионов атомарного кислорода, то изменение отношения их концентраций, n(O)/n(N₂), определяет знак изменений электронной концентрации в F-области ионосферы. Рост этого отношения приводит к увеличению электронной концентрации, а падение – к уменьшению [4]. Согласно изложенному в работах [5–7], глобальное распределение n(O)/n(N₂) является определяющим фактором в формировании зимней аномалии в F-области ионосферы. В пионерской работе [1] было показано, что основной причиной формирования отрицательных возмущений ионосферных параметров во время геомагнитных бурь является уменьшение отношения n(O)/n(N₂). В недавних работах для изолированных и сильных геомагнитных бурь были выявлены так называемые эффекты последействий: положительные возмущения электронной концентрации в максимуме F2-слоя, N_mF2, и полного электронного содержания (ПЭС), наблюдаемые в дневное время на 3–5-й день после начала фазы восстановления [8–10]. Было показано, что эффекты последействий объясняются увеличением концентрации атомарного кислорода вследствие его переноса от экватора на средние широты на фазе восстановления геомагнитной бури [8, 11, 12]. В работах [13, 14] были представлены результаты анализа влияния отношения n(O)∕n(N₂) на задержку вариаций ионосферных параметров относительно изменений ультрафиолетового излучения Солнца и было показано, что вариации отношения n(O)/n(N₂) есть основная причина такой задержки. Причиной отрицательных/положительных возмущений электронной концентрации в периоды развития внезапного стратосферного потепления (ВСП) и на фазе восстановления, вероятно, являются связанные с ВСП изменения отношения n(O)/n(N₂) в термосфере [15–18].

В последнее время широкую популярность в исследованиях нейтрального состава верхней термосферы получило использование результатов измерений отношения n(O)/n(N₂), полученных с использованием спутникового прибора GUVI (Global Ultra-Violet Imager), установленного на спутнике TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics) [19]. Получение отношения интегральных содержаний [O]/[N₂] основывается на измерении интенсивности дневного свечения атомарного кислорода на длине волны 135.6 нм и молекулярного азота в дальнем ультрафиолете в линии Lyman–Birge–Hop. В результате данные GUVI представляют собой отношение концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота в дневное время, проинтегрированных в пределах от высоты пролета спутника до высоты h₁, на которой интеграл концентрации N₂ равен 10¹⁷ см^–2 [20]. Согласно первым оценкам эта высота нижнего предела интегрирования составляет около 140 км. В настоящей работе мы представляем результаты модельных исследований вариаций значений высоты h₁ в зависимости от времени суток, широты, долготы, солнечной и геомагнитной активности.

1. ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В данной работе используется система скорректированных геомагнитных координат. Для оценки значений высоты h₁ были использованы результаты модельных расчетов глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы, протоносферы (ГСМ ТИП) [21, 22]. Модель основана на численном интегрировании системы квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц тепловой околоземной плазмы совместно с уравнением для электрического потенциала в интервале высот от 80 км до геоцентрического расстояния в 15 земных радиусов с учетом несовпадения географической и геомагнитной осей Земли. В модели ГСМ ТИП рассчитываются для заданных входных параметров глобальные распределения температуры T_n, концентраций (О₂, N₂, О) и компонент вектора среднемассовой скорости нейтральных частиц в верхней атмосфере Земли; концентраций, температуры и скоростей атомарных (О⁺, Н⁺) и молекулярных ионов и электронов; двумерное распределение потенциала электрического поля ионосферного и магнитосферного происхождений.

Магнитное поле Земли в модели ГСМ ТИП аппроксимируется центральным диполем. В модели используется пространственная сетка в геомагнитной системе координат с шагом 5° по широте и долготе и переменным шагом по вертикали, растущим с высотой. В настоящей работе были использованы результаты расчетов по модели ГСМ ТИП: 1) для периода 15–23 марта 2015 г., включающего геомагнитную бурю 17 марта; 2) для периода с 22 декабря 2012 года по 25 января 2013 г., включающего заметный рост солнечной активности. Ранее результаты этих расчетов использовались для интерпретации вариаций ионосферных параметров в спокойных геомагнитных условиях и во время геомагнитной бури [8, 12, 23–25].

2. СУТОЧНЫЕ И ДЕНЬ ОТО ДНЯ ВАРИАЦИИ n(O)/n(N₂) И h₁ В ПЕРИОД ИЗМЕНЕНИЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

На рис. 1 показаны вариации отношения проинтегрированной концентрации атомарного кислорода к проинтегрированной концентрации молекулярного азота [O]/[N₂]) и высоты h₁ над Иркутском, полученные по результатам модельных расчетов для периода 22 декабря 2012 – 14 января 2013 г. На этом же рисунке приведены изменения интенсивности потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см (F_10.7). Видно, что максимум солнечной активности пришелся на 11 января 2013 г. Следует отметить, что модельные значения [O]/[N₂] представляют собой отношения значений содержаний O и N₂, полученных путем интегрирования их концентраций по высоте так же, как это делается при обработке данных TIMED GUVI. Солнечная активность вносит вклад в изменения [O]/[N₂] – регистрируется отклик на повышение солнечной активности с начала января. Следует отметить некоторую задержку в результатах модельных расчетов максимумов [O]/[N₂] относительно максимума солнечной активности F_10.7, которая составляет ~4 сут. Согласно [14], задержка вариаций [O]/[N₂] относительно вариаций F_10.7 является основным фактором, приводящим к задержке вариаций ПЭС и N_mF2 относительно вариаций солнечной активности.

Рис. 1.

а – Временнóй ход интенсивности потока солнечного радиоизлучения F_10.7 в с.е.п. (1 с.е.п. = 10^–22 Вт/м²/Гц); рассчитанные по модели ГСМ ТИП отношения n(O)/n(N₂) – б, г и нижнего предела интегрирования h₁ – в, д в период с 22 декабря 2012 г. по 13 января 2013 г. На панелях б и в представлены вариации полуденных значений рассматриваемых параметров, на панелях г и д – изменения день ото дня суточных вариаций рассматриваемых параметров.

В рассмотренном на рис. 1 случае изменения солнечной активности (~50 с.е.п.) приводят к изменениям полуденных значений [O]/[N₂] ~ 15% относительно средних значений, что соответствует амплитуде суточных вариаций [O]/[N₂]. Вариации среднесуточных значений h₁ на средних широтах практически не выявляют изменчивости, связанной с солнечной активностью. В рассматриваемый период среднесуточные значения h₁ изменяются в пределах 152–153 км без четко выраженной зависимости от F_10.7. При этом амплитуда суточной вариации h₁ достигает ~4 км (2% от средней величины). Рисунок 2 демонстрирует широтно-временнýю зависимость среднесуточной высоты h₁ на долготе вблизи Иркутска. Видно, что h₁ изменяется по широте от 152 км в северном полушарии до 164 км в южном. То есть амплитуда широтной зависимости h₁ составляет ~8% от ее среднего значения. При этом заметной зависимости h₁ от быстрых изменений солнечной активности не обнаружено.

Рис. 2.

Широтно-временнáя развертка рассчитанного по модели ГСМ ТИП (105° в.д.) нижнего предела интегрирования h₁ в период с 22 декабря 2012 г. по 13 января 2013 г. на долготе восточно-сибирского региона.

3. ШИРОТНЫЕ И ДОЛГОТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ O/N₂ И h₁ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ

На рис. 3 представлены долготно-временны́е развертки [O]/[N₂], полученные по результатам измерений GUVI и модельных расчетов, и h₁, полученные по результатам модельных расчетов ГСМ ТИП для 15–23 марта 2015 г. на широте 55° с.ш. На этом же рисунке представлено поведение D_st-индекса в рассматриваемый период, которое указывает на то, что 17 марта наблюдалась довольно сильная геомагнитная буря, имеющая достаточно долгую фазу восстановления. Сравнение значений [O]/[N₂], полученных по данным наблюдений и по результатам модельных расчетов, выявляет количественные и следующие наиболее важные качественные сходства: 1) область минимальных значений [O]/[N₂] в американском долготном секторе (~60° з.д.); 2) отрицательные возмущения значений [O]/[N₂] 17 и 18 марта относительно 16 марта на всех долготах; 3) положительные возмущения O/N₂ на долготах 60°–105° в.д. после окончания геомагнитной бури (20–23 марта). Следует также отметить следующие отличия результатов модели от данных наблюдений: 1) качественно более сложная картина по данным наблюдений; 2) формирование максимального отрицательного возмущения 18 марта на долготе ~105° в.д., которое количественно не воспроизводится моделью (этот факт обсуждался в работе [23]. Несмотря на указанные отличия можно отметить, что модель ГСМ ТИП в целом неплохо воспроизводит наблюдаемые по методике TIMED GUVI значения [O]/[N₂] и, следовательно, можно рассчитывать на то, что оценка величины h₁ и ее вариации во время бури, полученные по результатам расчетов модели ГСМ ТИП, являются адекватными. Согласно модельным оценкам в спокойных условиях h₁ в зависимости от широты изменяется в диапазоне 148–154 км с минимальными значениями в области экватора и максимумами в высоких широтах. Во время геомагнитной бури (17 и 18 марта) происходит значительное увеличение значения h₁ до 164 км в высоких широтах и до 152 км на экваторе. Такое поведение h₁ совпадает с поведением n(N₂) во время геомагнитных бурь [1]. Следует также отметить довольно продолжительное восстановление h₁ до предбуревых значений (4–5 сут) и падение значений h₁ на экваторе на 5-й день после геомагнитной бури.

Рис. 3.

Временнóй ход D_st-индекса (а) и долготно-временны́е развертки полуденных значений отношения n(O)/n(N₂) по данным наблюдений (б) и результатам модельных расчетов (в), а также рассчитанного по модели ГСМ ТИП нижнего предела интегрирования h₁ (г) с 15 по 23 марта 2015 г. на широте 55° с.ш.

Рис. 4.

Широтно-временнáя развертка рассчитанных по модели ГСМ ТИП (90° з.д.) полуденных значений отношения n(O)/n(N₂) – вверху и нижнего предела интегрирования h₁ – внизу в период с 15 по 23 марта 2015 г. на долготе восточно-сибирского региона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье представлены результаты модельной оценки высоты нижнего предела интегрирования отношения концентраций атомарного кислорода к молекулярному азоту (n(O)/n(N₂)) в термосфере, получаемого по методике TIMED GUVI. Согласно этой методике наблюдений нижний предел интегрирования (h₁) соответствует высоте, на которой интеграл n(N₂) в пределах от высоты пролета спутника до h₁ принимает значение 10¹⁷ см^–2. Оценки модели ГСМ ТИП показали, что для рассмотренных условий (январь 2013 г. и март 2015 г.) h₁ варьируется в диапазоне 148–164 км; h₁ имеет суточную, сезонную, широтную и долготную вариации, слабо зависит от солнечного излучения и довольно сильно от геомагнитной активности. Амплитуда суточной вариации h₁ на среднеширотной станции достигает ~2% от ее средней величины. В спокойных геомагнитных условиях амплитуда широтной зависимости h₁ составляет ~8% от ее среднего значения для зимнего солнцестояния и ~4% в период весеннего равноденствия. Максимальные изменения h₁ во время геомагнитной бури происходят в высокоширотном регионе и для геомагнитной бури в марте 2015 года составили ~8% от среднего значения.

Авторы выражают благодарность Aerospace Corporation и Johns Hopkins University за спутниковые данные GUVI/TIMED, а также сервису OMNIWeb Plus NASA/Goddard Space Flight Center за данные геомагнитных и солнечных индексов.

Работа выполнена при финансовой поддержке грантом РНФ № 21-17-00208 в части проведения исследований с использованием модели верхней атмосферы и Минобрнауки России в части обработки данных спутниковых наблюдений.