автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное моделирование крупномасштабного электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли

На правах рукописи

003452503

Клименко Максим Владимирович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ЗОНАЛЬНОГО ТОКА В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Калининград - 2008

003452503

Работа выполнена в ФГОУ ВПО "Калининградский государственный технический университет"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Брюханов Валерий Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Мингалев Виктор Степанович

доктор физико-математических наук, профессор

Кореньков Юрий Николаевич

Ведущая организация: Институт солнечно-земной физики СО РАН,

г. Иркутск

оо

Защита состоится «Х^ » г. в )Ч часов на заседании

диссертационного совета К212.084.10 математического факультета Российского государственного университета имени И. Канта по адресу: 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета имени И. Канта

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Г. Токарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электрические поля и токи играют очень важную роль в поведении ионосферы в области высоких широт и вблизи геомагнитного экватора. Особенно возрастает их роль в периоды магнито-сферных возмущений, когда ионосфера испытывает значительные изменения. Ионосфера является средой распространения радиоволн, через ионосферу осуществляется радиосвязь космических аппаратов с Землей, навигация воздушных и морских судов, радиолокация и пеленгация. Поэтому необходимо предвидеть те, иногда катастрофические, изменения параметров ионосферы, которые происходят в периоды возмущений, приводящие к нарушению, а иногда и к полному исчезновению радиосвязи. Отсюда следует, что исследование электрических полей и токов и их влияния на поведение ионосферы представляет собой актуальную задачу.

Остается актуальной проблема прогнозирования землетрясений вследствие катастрофических последствий, которые они вызывают. Полученные в последнее время свидетельства того, что в ионосфере за несколько дней до землетрясений формируются их предвестники, позволяют надеяться на возможность хотя бы краткосрочного прогноза землетрясений. Одним из возможных механизмов формирования таких ионосферных предвестников землетрясений являются электрические поля сейсмогенного происхождения, что также указывает на актуальность исследования электрических полей и их эффектов в ионосфере Земли.

Целью диссертационной работы является исследование методами математического моделирования электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и токов в ионосфере Земли, их ионосферных эффектов, а также эффектов электрических полей в ионосфере, возможно, сейсмогенного происхождения.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Создание нового блока расчета электрических полей в ионосфере Земли в Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы, Ионосферы и Протоносферы (ГСМ ТИП), который позволил бы корректно описывать область ионосферы вблизи геомагнигного экватора и распределение зонального тока в ионосфере Земли (экваториального (ЕЕ1) и авроральных (АЕ1) электроджетов). Вывод уравнения Пуассона в выбранном приближении и запись его в разностном виде для решения конечно-разностными методами.

2. Написание программы расчета электрических полей и токов в ионосфере Земли, ее отладка и тестирование, сопряжение с моделью ГСМ ТИП и реализация в виде отдельного блока расчета электрического поля и зонального тока в ионосфере в модели ГСМ ТИП.

3. Проведение исследований глобального распределения электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и зональных токов в ионосфере Земли в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях. Сравнение полученных результатов расчетов с экспериментом

4. Проведение исследований эффектов рассчитываемых электрических полей на поведение ионосферы. В частности, исследование роли электрических полей в формировании и поведении таких крупномасштабных неоднородностей ионосферы, как дневная и ночная экваториальная ионизационная аномалия (ЭА и ночная ЭА), экваториальная аномалия в электронной температуре (ЭАЭТ), экваториальные и авроральные электроджеты, главный ионосферный провал (ГИП) и провал легких ионов (ПЛИ).

5. Проведение исследования роли электрических полей в процессе расслоения экваториального Р2-слоя и в формировании дополнительного экваториального РЗ-слоя.

6. Проведение исследования роли электрических полей и токов в ионосфере в периоды таких возмущений, как магнитосферная суббуря и солнечное затмение. А также рассмотрение электрического поля в качестве возможного механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений.

Методы исследования

В работе использовались методы математического моделирования электрических полей и токов в ионосфере Земли. Моделирующие уравнения записывались в разностном виде и решались хорошо известными конечно-разностными методами. Кроме того, для исследований эффектов электрических полей в ионосфере использовалась модель ГСМ ТИП, в которой глобальные распределения всех параметров верхней атмосферы рассчитываются путем численного интегрирования системы квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса нейтральной и заряженной компонент верхней атмосферы Земли.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работа определяются корректностью постановки задач и методов их решения, а также согласием полученных результатов численных расчетов с экспериментальными данными, модельными расчетами других авторов и современными представлениями о физике ионосферных процессов, происходящих под действием электрических полей и токов.

Научная новизна

1. Впервые в рамках единой самосогласованной модели системы термосфера, ионосфера и протоносфера реализован блок расчета электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и зональных токов в ионосфере Земли, позволяющий корректно описывать распределе-

ние электрического поля и зонального тока не только в высоких и средних широтах, но и на геомагнитном экваторе.

2. Впервые на основании численных расчетов получен дополнительный G-слой на геомагнитном экваторе на высотах -1000 км и исследован механизм его формирования. Показано, что этот слой формируется ионами Н+ за счет меридиональной компоненты термосферного ветра.

3. Впервые методом математического моделирования проведена проверка механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений зональным электрическим полем, возможно, сейсмогенного происхождения, предложенного A.A. Намгаладзе. Показано, что наблюдаемые за несколько дней до сильных землетрясений возмущения полного электронного содержания в околоэпицентральной области могут быть вызваны дополнительными источниками зонального электрического поля в ионосфере Земли.

Практическая ценность

Новый блок расчета электрических полей и зональных токов в модели ГСМ ТИП может быть использован как с целью проведения, прежде всего, научных исследований физики околоземного космического пространства, так и для прогнозирования и диагностики различного типа возмущений в ионосфере.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Новый блок расчета электрических полей и зональных токов в ионосфере Земли в модели ГСМ ТИП, основанный на приведении трехмерного моделирующего уравнения, описывающего закон сохранения плотности полного тока в ионосфере Земли, к двумерному виду интегрированием по толщине токопроводящего слоя ионосферы вдоль силовых линий геомагнитного поля.

2. Полученное в модели поведение экваториальных и авроральных электроджетов в спокойных условиях и во время возмущений.

3. Результаты исследования механизмов формирования в экваториальной ионосфере дополнительных слоев F3 и G. Впервые показано, что меридиональная компонента термосферного ветра может приводить к формированию ионами Н+ на высотах -1000 км дополнительного G-слоя.

4. Результаты исследования механизмов формирования главного ионосферного провала.

5. Результаты численных расчетов ионосферных предвестников землетрясений, которые убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы о зональных электрических полях, появляющихся в околоэпицентральных областях за несколько суток до землетрясений.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и были представлены на XI региональной конференции по

распространению радиоволн (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2005), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кенигсберга) (Калининград, 2005), III, IV и V Международных научных конференциях «Инновации в науке и образовании - 2005, 2006, 2007» (Калининград, КГТУ, 2005,2006,2007), 28th, 29th, 30th Annual Seminars «Physics of Auroral Phenom-ena"Apatity, Russia (2005, 2006, 2007), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2006,2007), 6th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2006), 36th COSPAR Scientific Assembly (Beijing, China, 2006), U.R.S.I. Landesausschuss Deutschland e.V. Kleinheubacher Tagung (Mil-tenberg, Germany, 2006, 2007), AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances (Yosemite, USA, 2007), CPEA Symposium (Kyoto, Japan, 2007), Greenland IPY 2007 Space Science Symposium (Kangerlussuaq, Greenland, 2007), Joint Assembly AGU 2007 (Acapulco, Mexico, 2007), International Beacon Satellite Symposium (Boston, Boston College, USA, 2007), XXIV General Assembly of IUGG (Perugia, Italy, 2007), IRI/COST 296 Workshop "Ionosphere - Modelling, Forcing and Telecommunications" (Prague, Czech Republic, 2007), 4th Annual AOGS 2007 Assembly (Bangkok, Thailand, 2007), IV Международной конференции "Солнечно-Земные связи и предвестники землетрясений" (Паратунка, Камчатка, 2007), AGU Fall Meeting (San Francisco, USA, 2007), 9th International Conference on Substorms (Seggau Castle, Austria, 2008), 12 International Symposium on Equatorial Aeronomy (Crete, Greece, 2008).

По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 12 статей и 53 тезиса докладов. Из них 2 статьи опубликованы в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа содержит 146 страниц текста, в том числе 83 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 179 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приводятся сведения о научной новизне и практической значимости полученных результатов.

В первой главе представлен обзор работ по электрическим полям и токам в ионосфере Земли. Рассмотрены работы по электродинамике ионосферы и по измерениям электрических полей. Проанализированы работы по динамо электрическому полю, полю магнитосферной конвекции и токам в ионосфере. Обсуждается поведение электрических полей и токов во время возмущений и дан краткий обзор моделей электрических полей в ионосфере Земли.

Во второй главе представлена постановка задачи моделирования крупномасштабного электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли. Распределение квазистационарного крупномасштабного электрического поля во внутренней магнитосфере Земли описывается законом сохранения плотности тока:

¿Ь>а + 7о) = 0 (1)

где ] = с?-(Е+?п хБ) = <?■ Ё' - поверхностная плотность тока проводимости, 7о - поверхностная плотность тока, создаваемого внешними источниками, в - тензор ионосферной проводимости, Е - электрическое поле маг-нитосферной конвекции, Ри х В - динамо поле, Рп - скорость среднемассо-вого движения нейтрального газа, Б - индукция геомагнитного поля.

Решение трехмерного уравнения (1) осуществляется приведением его к двумерному интегрированием по толщине токопроводящего слоя ионосферы. Описаны два подхода к решению этой задачи: интегрирование по высоте и вдоль силовых линий геомагнитного поля. Дано краткое описание модели ГСМ ТИП, разработанной в Западном отделении ИЗМИРАН \Namgaladze е1 а1, 1988], и двумерной модели электрического поля с интегрированием по высоте. Представлено подробное описание модели электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли с интегрированием вдоль силовых линий геомагнитного поля. В дипольной (диполярной) системе координат где д = с]2со5®, у = Л, и = £/зт20, с/ = Яь! г = /(ЯЕ + И), К ¡г - радиус Земли, И - высота над поверхностью Земли уравнение сохранения плотности тока в ионосфере Земли (1) имеет вид:

(АЛА.Г'(5(А,А.Л)/а9 ^АС^. +ст"Еи + (стРУпи-анГ„)В))/ду + + Э(А,К{аРЕи - анЕ, -(стРУт + *,,Упи)В))/ди) = О, где Ич = Я£/(с?3/), К =Ле51п0/б/ и ки = КЕ 1{с12/бш©) - коэффициенты Ламе, сгр и ан - педерсеновская и хояповская проводимости, а / = л/1+Зсоб2©.

Учитывая потенциальность электрического поля в ионосфере Земли, получаем:

5(Л9А„/Ии ■ ар8Ф/8и)/ди + 8(И11ан)/ду-8Ф/ди + + Э(/г,А„/й„ ■ (тРдФ/5у)/5У-д(Ич(тн)/ди■ 8Ф/8У = д{кХ)ч)1дц +

+ -анУт)В)Ш-д{ЬяК{аРУт + анУт)В)!ди

Проинтегрируем это уравнение от <7, до вдоль отрезка силовой линии, лежащего в токопроводящем слое ионосферы, где и д2 - значения д на концах этого отрезка. Если силовая линия полностью лежит в проводя-

7

щем слое ионосферы, то интегрирование осуществляется от основания этой линии в данном полушарии до ее вершины.

'г +

+ где

d{\{hqhJhu)apô<bl(M-dq) Idu + \d(hq етн)/ду-дФ /ôu-dq

h «i

d( \{hqhu /h,)o>3Ф/dv-dq)!ôv- \d{hq(rH)/ôu ■ бФ/dv■ dq = с + у/, + г7 !{Re Vl + 3cos20), 0 > ж/2

|-rV, !(RE-h + 3cos2 0), 0 < ж/2 y = R~M\afVm - <JHVm)r-ВW + 3cos2 0)sin0) • ф)/¿>v-

-J(о>+ K„„)r4j3sin©/ /l + 3• cos 0 • ф)/5м

Если вдоль силовой линии геомагнитного поля не меняются £„ и £„, то из-под знака интеграла можно вынести h~'dФ/dv и И'^дФ/ди, при этом уравнение (2) принимает следующий вид:

д\а-дФ1ди)1ди + у-дФ1ди + 0(р-дФ1ду)1&-0-дФ1& = Е + у/,

где

а = R~xr~2 sinO^/Tf 3cos2 0 jcr,,/-4 sin 0 /л/1 + 3 eos2 0 • ф

h

12

р = jcr,r5 /(sin© • (1 + 3 eos2 0)) • dq /(R¡r sin 0) «i

__42

y = sin©Vl + 3cos20 /(Л2г2) jV5 /((1 + 3eos2 0)sin0) • a<rH /dv ■ dq

8= jr sin 0 • S(r 3o-„ / л/1 + 3-cos2©) /ди-dq /(R2Er sin 0)

Для этого уравнения записывается разностная аппроксимация на пространственной сетке с шагами 15° по геомагнитной долготе и 5° по геомагнитной широте. Из разностных уравнений можно найти Фя для всех i и j:

А Ф =В .

у и и

Здесь Ф - потенциал электрического поля в í-ом узле выбранной пространственной сетки по долготе ив; -ом узле по широте, 1 < / <N, 1 <j<M.

Разностные уравнения решаются итерационным методом Либмана, Ф*'1 = Вц /Ац, либо ускоренным методом Либмана, Ф 1*у=соВ 1А +

+ (1 - гу)Ф* , где а = 0,9 - параметр ускорения сходимости итераций, верхний индекс указывает номер итерации. От нулевого начального приближения с относительной погрешностью расчета потенциала порядка 1 % на выбранной пространственной сетке решение получается примерно за 400 -1500 итераций.

Поверхностная плотность зонального тока рассчитывается по формуле =а-,Ек+анЕи + (сг РУШ-анУт)-В, а зональный электроджет по формуле:

./, +1„ Еи +)в(аРУт-анУт)кд -ф,

91

1г Чг

где = ¡аРИд -с1д\ = {сгД -с^

«I «I

На основании представленной постановки задачи разработана и реализована численная модель электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли, которая позволяет проводить исследования низкоширотной и экваториальной ионосферы.

В третьей главе представлены результаты численного моделирования динамо электрического поля, зонального тока и ионосферных эффектов динамо-поля в спокойных геомагнитных условиях. Проведено сравнение моделей динамо электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли с интегрированием вдоль геомагнитного поля и по высоте. Показано, что:

Новая модель электрического поля с интегрированием вдоль силовых линий геомагнитного поля, в отличие от ранее использовавшейся модели с интегрированием по высоте, позволяет удовлетворительно описать распределение электрического поля на экваторе и экваториальный электроджет, генерируемый динамо полем. При этом новая модель электрического поля дает результаты, близкие к наблюдениям.

Динамо поле, рассчитанное в новой модели, удовлетворительно согласуется с существующими моделями динамо электрического поля. На рис. 1 показаны скорости дрейфа, полученные в новой модели и результаты измерений на станции некогерентного рассеяния в Лсатагса. Видно их удовлетворительное согласие.

Поведение зонального тока и его широтный ход в окрестности геомагнитного экватора на разных высотах и долготах, рассчитанные в новой модели, удовлетворительно согласуются как с другими моделями, так и с наблюдениями на экваториальных и низкоширотных станциях, что видно из рисунков 2 и 3.

>

150 100 50 0 -50 -100

10 -

5 —I

гтГг 3

9 12 15 18 21 24

UT

>

б)

6 9

12 15 18 21 24

ит

Рис. 1. Суточные вариации для станции Jicamarca а) зональной (восточной) и 6) вертикальной скоростей дрейфа ионов в м/с. Светлыми кружками показаны результаты расчетов на модели ГСМ ТИП, а пунктирными линиями с темными кружками - результаты средних данных наблюдений на этой станции для равноденственных условий из [Richmond, 1995].

Исследовано влияние нижних граничных условий в термосфере на распределение динамо поля в ионосфере Земли. Анализ представленных результатов численных расчетов показал, что нижняя граница термосферы оказывает значительное влияние на распределение динамо поля в ионосфере Земли и, особенно, на экваториальный электроджет. Распределение потенциала динамо электрического поля, полученное во всех представленных вариантах задания нижних граничных условий, качественно согласуется с модельными расчетами [Richmond et al., 1992]. Показано, что для воспроизведения наблюдаемых на геомагнитном экваторе вариаций зональной компоненты электрического поля (в частности, вечернего всплеска восточного поля), влияющей на распределение электронной концентрации в окрестности геомагнитного экватора и экваториальный электроджет, необходимо привлекать приливы на нижней границе термосферы.

В модельных расчетах получена

и проанализирована иТ-вариация экваториального электроджета, генерируемого динамо полем. Расчеты показали, что в суточном ходе максимальной интенсивности экваториального электроджета имеется полусуточная гармоника. Наибольшие и наименьшие значения максимальной интенсивности экваториального электроджета могут отличаться в 2 раза. Долготная протяженность экваториального электроджета практически не испытывает иТ-вариаций.

В результатах наших расчетов максимальная интенсивность экваториального электроджета приходится примерно на 11.00 ЬТ и составляет -35 А/км. Сравнение интенсивности, положения и пространственных размеров экваториального электроджета, полученных в нашей модели, в эксперименте и в модельных расчетах других авторов, показало их удовлетворительное согласие.

Проведены численные расчеты расслоения Р2-слоя экваториальной ионосферы и исследованы механизмы формирования дополнительных РЗ- и С-слоев в экваториальной ионосфере. Результаты численных расчетов на модифицированной модели ГСМ ТИП, представленные на рис. 4, показали, что модель воспроизводит наблюдающееся расслоение Р2-слоя экваториальной ионосферы. В результате процесса расслоения Р2 слоя экваториальной ионосферы выше Р2-слоя в довольно узкой полосе геомагнитных широт в окрестности геомагнитного экватора формируется РЗ-слой. Расслоения экваториального Р2-слоя ионосферы и РЗ-слой формируются только при наличии восточной компоненты электрического поля достаточной амплитуды (>0,2 мВ/м).

Модифицированная модель ГСМ ТИП воспроизводит максимум в высотном профиле электронной концентрации на высоте -1000 км, образуемый ионами ИГ, за счет меридиональной компоненты термосферного ветра, которая препятствует формированию РЗ-слоя. Этот слой, который мы назвали О-слоем, можно обнаружить при зондировании низкоширотной ионосферы сверху со спутников на высотах -1000 км в неосвещенное время суток.

Проведено исследование экваториальной ионизационной аномалии и экваториальной аномалии в электронной температуре и их иТ-вариаций. Показано, что модифицированная модель ГСМ ТИП воспроизводит такие особенности экваториальной ионосферы, как ЭА и ЭАЭТ. Это еще раз доказывает, что модифицированная модель ГСМ ТИП может использоваться для исследований экваториальной и низкоширотной ионосферы. Расчеты выявили существование сильной иТ-вариации ЭА и ЭАЭТ.

В четвертой главе представлены результаты численного моделирования суперпозиции динамо поля и поля магнитосферной конвекции и их

Поверхностная плотность зонального тока, А уи-

Рис. 2. Вертикальные профили поверхностной плотности зонального тока в А/км2, рассчитанные для 00 UT на геомагнитном экваторе (Ф = 0° - сплошные линии) и в его окрестности (Ф = 5° - штриховые линии), во втором варианте новой модели для Л=180° и Л=!95°. Крестиками показаны результаты наблюдений на ракетах в Перу из [Richmond, 1992], светлыми и темными кружками - результаты расчетов по моделям [Sterling, 1985; Richmond, 1973].

ионосферных эффектов. Проведено численное моделирование электрического поля магнитосферной конвекции, и исследовано его влияние на зональный ток и электрическое поле на геомагнитном экваторе.

Показано, что численное моделирование глобального распределения электрического поля в ионосфере Земли лучше выполнять при задании продольных токов первой зоны, а не разности потенциалов через полярные шапки, поскольку последнее является более жестким граничным условием, которое нарушает самосогласованный подход к моделированию параметров околоземного космического пространства.

В отсутствие экранирования, что соответствует условиям, существующим в начальную фазу геомагнитных возмущений, поле магнитосферной конвекции проникает к геомагнитному экватору, изменяя как электрическое поле на экваторе, так и экваториальный электроджет. Экранирование ослабляет влияние магнитосферной конвекции на экваториальное электрическое поле и экваториальный электроджет, которые в этом случае определяются динамо полем. Наилучшие условия проникновения электрического поля магнитосферной конвекции к экватору реализуются в темное время суток, особенно в предвосходные часы. Проникновение поля магнитосферной конвекции приводит к исчезновению послезаходного всплеска восточного электрического поля на геомагнитном экваторе.

3 4 5 6 7 Широта, град

б)

DIP latitude (degrees)

Рис. 3. Распределение поверхностной плотности тока в А/км2, рассчитанное в модели ГСМ ТИП на геомагнитной долготе Л=195° и в модели \Stening, 1985] для 15.00 ЬТ в системе координат геомагнитная широта-высота. Сплошными линиями показана плотность восточного тока, штриховыми - западного и пунктирными -

нулевого.

Проведено модельное исследование влияния различных механизмов на формирование и развитие дневной и ночной ЭА, ГИП, ЭАЭТ и ночного

среднеширотного максимума в электронной концентрации на высотах Б-области ионосферы. Результаты этого исследования показаны на рис. 5.

Рис. 4. Вертикальные профили электронной концентрации см"3, рассчитанные над станцией Лсатагса а) для 09.00, 11.20 и 12.00 1)Т и б) для 03.00 ит (пунктирными линиями показано поведение рассчитанного ионного состава ионосферы).

Магнитосферная конвекция ослабляет ЭАЭТ на высотах вблизи максимума Р2-слоя и практически не влияет на поведение электронной температуры вблизи геомагнитного экватора на высоте спутника.

Дневная ЭА формируется меридиональным дрейфом, который вместе с диффузией плазмы вдоль силовых линий геомагнитного поля приводит к известному фонтан-эффекту \Martyn, 1947]. Поле магнитосферной конвекции без экранирования приводит к небольшому уменьшению/оР2 в гребнях ЭА. Экранирование продольными токами второй зоны приводит к тому, что ЭА становится такой же, как и в случае действия только динамо поля.

Механизм формирования ночной ЭА аналогичен механизму формирования дневной ЭА. При этом ночная ЭА формируется послезаходным всплеском восточного динамо электрического поля на геомагнитном экваторе. Учет поля магнитосферной конвекции без экранирования приводит к исчезновению ночной ЭА. Экранирование приводит к восстановлению ночной ЭА.

Ночной среднеширотный максимум в широтном поведении /оР2 формируется меридиональной компонентой термосферного ветра. Динамо электрическое поле приводит к небольшому росту ночного среднеширотного максимума и его сдвигу в сторону экватора.

а)

б)

в)

-90-75-60-45-30-15 0 15 30 45 60 75 90 Геомагнитная широта

-¡ТГрТ|ТГ|11|М|11|!

-90-75-60-45-30-15 0 15 30 45 60 75 90 Геомагнитная широта

" 2 —

Луп 11 11 I 11 I 11 I I | I 1

-90-75-60-45-30-15 0 15 30 45 60 75 90 Геомагнитная широта

д)

-90-75-60-45-30-15 0 15 30 45 60 75 90 Геомагнитная широта

Рис. 5. Рассчитанные широтные разрезыв МГц: а) без дрейфа и с учетом динамо поля, б) без дрейфа и без меридионального дрейфа, в) с учетом динамо поля и без меридионального ветра, г) с учетом динамо поля и его суперпозиции с полем магнитосфер-ной конвекции без экранирования, д) с учетом динамо поля и его суперпозиции с полем магнитосферной конвекции с экранированием.

ГИП формируется без учета электромагнитных дрейфов за счет недо-заполненности плазменных трубок на Ь > 2 и высыпаний низкоэнергичных

14

частиц в авроральной зоне [Кринберг, Тащилин, 1984]. Динамо электрическое поле и, в большей степени, поле магнитосферной конвекции без экранирования углубляют провал и сдвигают его к экватору. Экранирование приводит к уменьшению глубины провала и его смещению к полюсу. В результате учет электромагнитного дрейфа завершает формирование ГИП, углубляя и сдвигая его к экватору. Меридиональный ветер уменьшает глубину ГИП.

Проведено исследование поведения ионосферных параметров над станцией Лсатагса с учетом рассчитываемой суперпозиции динамо поля и поля магнитосферной конвекции. Показано, что рассчитываемые самосогласованным образом электрические поля способны при отсутствии экранирования приводить к стратификации Р2-слоя экваториальной ионосферы и образованию РЗ-слоя. Кроме того, ионы Н+ формируют на высотах -1000 км в-слой благодаря меридиональной компоненте ветра глобальной термо-сферной циркуляции.

Выполнены численные расчеты поведения провала легких ионов и теплового баланса внешней ионосферы. Показано, что в спокойных геомагнитных условиях высота перехода от ионов 0+ к ионам Н~ днем выше, чем ночью и возрастает при удалении от геомагнитного экватора. Наиболее сильный рост происходит на субавроральных и высоких широтах. ПЛИ существует в неосвещенное время суток. Наиболее глубокий провал формируется в 03 ЬТ. ПЛИ глубже и смещен к высоким широтам относительно ГИП и провалов в электронной концентрации на высотах внешней ионосферы. Днища ПЛИ находятся в интервалах геомагнитных широт ±(60-68) □

Во внешней ионосфере на субавроральных и высоких геомагнитных широтах формируются горячие зоны в электронной и ионной температурах. Результаты расчетов ионной и электронной температур во внешней ионосфере указывают на существование в 17 ЬТ Экваториальной Аномалии в Плазменной Температуре.

В пятой главе представлены результаты численного моделирования некоторых типов ионосферных возмущений с учетом электрических полей. Приводятся результаты численных расчетов модельной суббури. Проанализированы эффекты дополнительных высыпаний во время суббури и зависимость эффектов суббури от момента ее начала в ЕЕ.1 и АЕ.1 (рис. 6, 7), а также в поведении ГИП и ЭА. Показано, что во время суббурь интенсивность авроральных электроджетов возрастает, а разрыв Харанга смещается в вечерний сектор. Причем за счет дополнительных высыпаний энергичных частиц из магнитосферы в высокоширотную ионосферу западный электро-джет становится больше, чем восточный. Кроме того, суббуря, начинающаяся в 18:00 иТ вызывает наибольшие изменения авроральных электроджетов по сравнению с суббурями, начинающимися в другие моменты 1ГГ.

60 -

7

50 -

й 40 ^

в

зо

20 -

Ч'Ч'Ч'Ч 6 9 12 15 18 21 24

ит

Полученные результаты модельных расчетов согласуются с морфологической картиной поведения авроральных электроджетов во время магнито-сферных возмущений [Кат1с1е, 1991].

-4 4Л „ -Л | бо 4 I В окрестности греб-

ней ЭА, все суббури вызывают наибольшие эффекты на фазе восстановления. Причем эти эффекты положительные.

Суббури приводят к смещению ГИП к экватору, его сужению и увеличению крутизны полярной стенки и долготной протяженности. Суббуря, начинающаяся в об.оо ит, формирует в глобальном распределении /oF2 патч в южном полушарии через -1.5 часа после начала

суббури.

о

3 6 9 12 15 18 21 24

ит

Рис. 6. Рассчитанный временной ход максимальной интенсивности в А/км обратного (западного) СЕ.( (слева) и восточного (справа) ЕЕ] для четырех модельных суббурь. Сплошными линиями показано поведение во время суббурь, светлыми кружками - в спокойных геомагнитных условиях.

-7—

/

9 12 15 18 21 24 ит

9 12 15 18 21 24

ит

Рис. 7. Рассчитанный временной ход максимальной интенсивности в А/км обратного (западного) (слева) и восточного (справа) АЕ.1 для четырех модельных суббурь. Сплошными линиями показано поведение во время суббурь, пунктирными линиями - в спокойных геомагнитных условиях.

Представлены результаты численных расчетов поведения экваториального электроджета во время Солнечного затмения 8 апреля 2005 года. Показано, что уменьшение интенсивности экваториального электроджета при прохождении пятна солнечного затмения через область продольных токов второй зоны происходит за счет из-

менения проводимости ионосферы в этой области, что приводит к изменению распределения поля магнитосферной конвекции и условий его проникновения к экватору. При прохождении пятна солнечного затмения через геомагнитный экватор происходит сильное уменьшение экваториального электроджета за счет локальных изменений ионосферной проводимости в области затмения и перестройки термосферной циркуляции. Это происходит с запаздыванием -30 мин, которое обусловлено временем перестройки термосферной циркуляции во время солнечного затмения.

Описаны полученные в модели ионосферные предвестники землетрясений в Б области и во внешней ионосфере, вызванные действием дополнительных источников зонального электрического поля, возможно, сейсмогенного происхождения, предложенные в [Намгаладзе, 2007]. Показано, что полученные на модели ГСМ ТИП результаты численных расчетов согласуются с наблюдениями, что убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы о зональных электрических полях, появляющихся в околоэпицен-тральных областях за несколько суток до землетрясений и вызывающих локальные изменения ТЕС в средних широтах и в области ЭА. При высказанных предположениях о параметрах сейсмогенных источников электрического поля перед землетрясениями происходят значительные изменения электронной концентрации, ионного состава и теплового баланса холодной плазмы во внешней ионосфере Земли.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Разработан новый блок расчета электрических полей и зональных токов в ионосфере Земли в модели ГСМ ТИП. В этом блоке приведение трехмерного моделирующего уравнения, описывающего закон сохранения плотности полного тока в ионосфере Земли, к двумерному виду осуществляется его интегрированием по толщине токопроводящего слоя ионосферы вдоль силовых линий геомагнитного поля. Использование нового блока расчета электрических полей позволило корректно описать поведение электрического поля на геомагнитном экваторе. Полученные в модельных расчетах глобальные распределения потенциала электрического поля удовлетворительно согласуются с результатами модельных расчетов других авторов.

2. Проведены численные расчеты поведения экваториального и авро-ральных электроджетов в спокойных условиях и во время возмущений. Показано, что:

а) В спокойных условиях интенсивность восточного аврорального электроджета больше, чем западного. Во время суббурь интенсивность ав-роральных электроджетов возрастает, а разрыв Харанга смещается в вечерний сектор. Причем за счет дополнительных высыпаний энергичных частиц из магнитосферы в высокоширотную ионосферу западный электроджет становится больше, чем восточный. Кроме того, суббуря, начинающаяся в 18:00 ит вызывает наибольшие изменения авроральных электроджетов по сравнению с суббурями, начинающимися в другие моменты Ш\ Полученные результаты модельных расчетов согласуются с морфологической картиной поведения авроральных электроджетов во время магнитосферных возмущений.

б) В спокойных условиях существует иТ-вариация экваториального электроджета. Наибольшие и наименьшие значения максимальной интенсивности экваториального электроджета могут отличаться в 2 раза. В результатах наших расчетов максимальная интенсивность экваториального электроджета приходится примерно на 11.00 ЬТ и составляет -35 А/км, что согласуется с экспериментальными данными и модельными расчетами других авторов. Во время суббурь, в основном, происходит уменьшение интенсивности экваториального электроджета за счет проникновения электрического поля магнитосферной конвекции к экватору. Однако, во время суббури, начавшейся в 18.00 ОТ, восточный экваториальный электроджет вначале возрастает, а затем падает относительно спокойных значений. Во время солнечного затмения интенсивность экваториального электроджета уменьшается либо за счет изменений условий экранирования поля магнитосферной конвекции, либо за счет локальных изменений проводимости в области экваториального электроджета. При моделировании ионосферных предвестников землетрясений действие дополнительных источников зонального электрического поля, возможно, сейсмогенного происхождения проявляется в виде отчётливых эффектов в экваториальном электроджете.

3. В результатах модельных расчетов получено расслоение Р2-слоя экваториальной ионосферы и формирование дополнительных слоев БЗ и О. Проведены исследования механизмов формирования в экваториальной ионосфере этих слоев. Слой ГЗ формируется зональной компонентой электрического поля за счет расслоения экваториального Р2-слоя. Показано, что расслоения экваториального Р2-слоя ионосферы и РЗ-слой формируются только при наличии восточной компоненты электрического поля достаточной амплитуды (>0,2 мВ/м). Впервые показано, что меридиональная компонента термосферного ветра может приводить к формированию ионами Н+ на высотах -1000 км дополнительного в-слоя.

4. Главный ионосферный провал формируется без учета электромагнитных дрейфов за счет недозаполненности плазменных трубок на Ь > 2 и высыпаний низкоэнергичных частиц в авроральной зоне. Учет электромагнитного дрейфа завершает формирование ГИП, углубляя и сдвигая его к экватору. При этом динамо электрическое поле и поле магнитосферной конвекции без экранирования углубляют провал и сдвигают его к экватору, а экранирование уменьшает глубину провала и смещает его к полюсу. Меридиональный ветер уменьшает глубину ГИП.

5. Механизм формирования ночной экваториальной ионизационной аномалии аналогичен механизму формирования дневной ЭА. Экваториальная ионизационная аномалия формируется меридиональным дрейфом, который вместе с диффузией плазмы вдоль силовых линий геомагнитного поля приводит к известному фонтан-эффекту. При этом ночная ЭА формируется

послезаходным всплеском восточного динамо электрического поля на геомагнитном экваторе. Учет поля магнитосферной конвекции без экранирования приводит к исчезновению ночной ЭА. Учет экранирования поля магнитосферной конвекции полем Альвеновского слоя препятствует исчезновению ночной ЭА под действием поля магнитосферной конвекции.

6. Модельные расчеты показали, что ночной среднеширотный максимум в широтном поведении foF2, наблюдающийся в эксперименте, формируется меридиональной компонентой термосферного ветра. Динамо электрическое поле приводит к небольшому росту этого максимума и его сдвигу в сторону экватора.

7. Проведены модельные исследования ионосферных предвестников землетрясений на модели ГСМ ТИП. Целью этих исследований была проверка предложенного А.А. Намгаладзе в [Намгаладзе, 2007] механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений зональными электрическими полями, возможно, сейсмогенного происхождения. Результаты численных расчетов ионосферных предвестников землетрясений согласуются с наблюдениями. Это убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы о зональных электрических полях, появляющихся в околоэпицен-тральных областях за несколько суток до землетрясений и вызывающих локальные изменения ТЕС в средних широтах и в области экваториальной аномалии.

Литература

Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 189с.

Намгаладзе А.А. О возможных физических механизмах формирования ионосферных предвестников землетрясений // Материалы Международной Научно-технической конференции МГТУ «Наука и образование-2007». 2007.

Kamide Y. Vll-1. The Auroral Electrojets: Relative Importance of Ionospheric Conductivities and Electric Fields. In Auroral Physics, ed. dy C.-I. Meng, M.J. Rycroft, and L.A. Frank, Cambridge UP. 1991. P.385-399.

Martyn D.F. Atmospheric tides in the ionosphere. 1. Solar tides in the F2 region // Proc. Roy. Soc. London. 1947. V.A189. P.241-260.

Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushchenko T.A., NaumovaN.M. Global model of the ther-mosphere-ionosphere-protonosphere system // Pure and Applied Geophysics. 1988. V.127. No.2/3. P.219-254.

Richmond A.D. Equatorial Electrojet. Part II. Use of the Model to Study the Equatorial Ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1973. V.35. P. 1105-1118.

Richmond A.D. Modeling Equatorial Ionospheric Electric Fields // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V.57. P.l 103-1115.

Richmond A.D., Ridley E.C., Roble R.G. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics // Geophys. Res. Lett. 1992. V.19. P.601-604.

Stening RJ. Modeling the Equatorial Electrojet // J. Geophys. Res. 1985. V.90. P.1705-1719.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах в реферируемых журналах по перечню ВАК

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

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

в научных журналах и материалах научных конференций

3. Клименко М.В., Клименко В.В., Брюханов В.В. Сравнение двух вариантов модели электрического поля в ионосфере Земли // Известия КГТУ. 2005. №8. С.59-68.

4. Клименко М.В., Клименко В.В., Брюханов В.В. Численное моделирование EIA, ETWA, ЕЕТА в модели ГСМ ТИП с учетом полей динамо и маг-нитосферной конвекции при заданных продольных токах первой зоны // Известия КГТУ. 2006. №10. Р.220-226.

5. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical Modeling of Equatorial Electrojet During Geomagnetic Substorms // Proceedings of the 6th International Conference "Problems of Geocosmos". St. Petersburg, Russia, Petrodvorets, May 23-27,2006. St. Petersburg, 2006. P.83-86.

6. Клименко M.B., Клименко B.B., Брюханов В.В. Численное моделирование аврорального электроджета во время геомагнитной суббури // Вестник МГТУ. 2006. Т.9. №3. Р.453-457.

7. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical Modeling of Auroral Electrojet during Geomagnetic Disturbances // Proceedings of the 29th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena", Apatity, February 27 - March 3, 2006. Apatity, 2006. P.31-35.

8. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical Modeling of Auroral Electrojet During Geomagnetic Disturbances With the Account of Particle Precipitation // Proceedings of the 29th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena", Apatity, February 27 - March 3,2006. Apatity, 2006. P.36-39.

9. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical modeling of the equatorial electrojet UT-variation on the basis of the model GSM TIP // Advances in Radio Science. 2007. V.5. P.385-392.

10. Намгаладзе А.А., Клименко М.В., Клименко В.В., Захаренкова И.Е. Формирование ионосферных предвестников землетрясений электрическим полем // Сборник докладов IV международной конференции "Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений", 14-17 августа 2007 года, с. Паратунка Камчатской обл., Петропавловск-Камчатский, ИКИР ДВО РАН, 2007. С. 424-430.

11. Клименко М.В., Намгаладзе А.А., Клименко В.В., Брюханов В.В. Численное моделирование эффектов электрического поля как предвестников землетрясений во внешней ионосфере Земли // Сборник докладов IV международной конференции "Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений", 14-17 августа 2007 года, с. Паратунка Камчатской обл., Петропавловск-Камчатский, ИКИР ДВО РАН, 2007. С. 313-318.

12. Клименко М.В., Клименко В.В., Брюханов В.В. Численное моделирование EIA, ETWA, ЕЕТА в модели ГСМ ТИП с учетом полей динамо и магнитосферной конвекции при заданной разности потенциалов через полярные шапки // Материалы IV международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2006». Известия КГТУ. 2007. №11. С.82-87.

13. Клименко М.В. Влияние нижних граничных условий в термосфере на динамо поле и экваториальный электроджет // Труды научной конференции. Часть II. Международная научная конференция «Инновации в науке и образовании - 2005», посвященная 75-летию основания КГТУ и 750-летию Кенигсберга-Калининграда, 19-21 октября, 2005 г. Калининград: КГТУ, 2005. С. 162-163.

14. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Investigation of formation mechanisms of equatorial ionosphere F2-layer stratifications, F3- and G-layers // Geophys. Res. Abstracts. 2006. V.8. P. 00078.

15. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical modeling of the equatorial ionosphere on the basis of Global Self-consistent Model of Thermosphere, Ionosphere, and Protonosphere (GSM TIP) // Geophys. Res. Abstracts. 2006. V.8. P. 00232.

16. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Investigation of the magnetosphere convection influence on equatorial electrojet and electric field on geomagnetic equator under self-consistent approach to modeling on the basis of the GSM TIP // COSPAR Scientific Assembly 2006 Abstracts. The 36th CO-SPAR Scientific Assembly July 16-23, 2006, Beijing, China. COSPAR2006-A-00162. CI.1-0082-06.

17. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Comparison of the EIA, EETA and ETWA, received in the model GSM TIP, at the self-consistent approach and with use of the model MSIS-90 // COSPAR Scientific Assembly

2006 Abstracts. The 36th COSPAR Scientific Assembly July 16-23, 2006, Beijing, China. COSPAR2006-A-00163. CI.1-0083-06.

18. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Light Ion Trough and Heat Balance of the Topside Ionosphere in Quiet Geomagnetic Conditions - Numerical Modeling // Abstracts of Greenland IPY 2007 Space Science Symposium, May 4-9,2007, Kangerlussuaq, Greenland. P.75.

19. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Main Ionospheric Trough and Auroral Electrojets in Quiet Geomagnetic Conditions of Vernal Equinox in Solar Activity Minimum - Numerical Modeling // Abstracts of Greenland IPY 2007 Space Science Symposium, May 4 - 9, 2007, Kangerlussuaq, Greenland. P.77.

20. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Main Ionospheric Trough and Equatorial Ionization Anomaly During Substorms With the Different UT Onset Moments // Eos Trans. AGU, 88(23), Jt. Assem. Suppl. 2007. Abstract A52B-09.

21. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical Modeling of Equatorial Electrojet Behavior During April, 8, 2005 Solar Eclipse // Eos Trans. AGU, 88(23), Jt. Assem. Suppl. 2007. Abstract SA33A-01.

22. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Investigation of Dependence of Substorm Effects in Auroral Electrojet and Parameters of F-region of Ionosphere on the Separate Stations From UT Substorm Beginning on the Basis of GSM TIP // Earth: Our Changing Planet. Proceedings of IUGG XXIV General Assembly, Perugia, Italy 2007. P.2872.

23. Klimenko M.V., Klimenko V.V,, Bryukhanov V.V. Investigation of Dependence of Substorm Effects in Equatorial Electrojet and Parameters of F-region of Ionosphere on the Separate Stations From UT Substorm Beginning on the Basis of GSM TIP // Earth: Our Changing Planet. Proceedings of IUGG XXIV General Assembly, Perugia, Italy 2007. Oral Presentation. P.332.

24. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical Modeling of the Light Ion Trough and Heat Balance of the Topside Ionosphere in Quiet Geomagnetic Conditions // Abstracts of AOGS 2007 4th Annual Meeting. 2007. ST01-A0008.

25. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Main Ionospheric Trough During Substorms With the Different UT Onset Moments // Abstract Book of the U.R.S.I. Landesausschuss Deutschland e.V. Kleinheubacher Tagung 2007,24-28 September 2007, Miltenberg, Germany. 2007. KH2007-G-092.

26. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Ionosphere Electrodynamics and its Influence on the Main Ionospheric Trough and Equatorial Ionization Anomaly // 2007 Fall Meeting Program and Abstracts CD-ROM, 10-14 December 2007, San Francisco, CA, USA. 2007. SA51A-0235.

Клименко Максим Владимирович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ЗОНАЛЬНОГО ТОКА В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 3.09.2008 г. Формат 60x90 1/6 Бумага для множительных аппаратов. Ризограф. Печ. л. 1,4 Уч.- изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ3#

Издательство УОП ФГОУ ВПО "Калининградский государственный технический университет" 236000, г. Калининград, Советский пр., 1

Страница

Введение.

Глава 1. Электрические поля и токи в ионосфере Земли (обзор)

1.1. Электродинамика ионосферы.

1.2. Измерения электрических полей.

1.3. Динамо поле.

1.4. Поле в магнитосфере Земли.

1.5. Электрические токи в ионосфере. Экваториальный электроджет.

Авроральные электроджеты.

1.6. Электрические поля и токи во время возмущений.

1.7. Моделирование электрических полей в ионосфере.

Глава 2. Постановка задачи моделирования электрических полей и зонального тока в ионосфере Земли

2.1. Два подхода к моделированию электрических полей в ионосфере Земли.

2.2. Краткое описание Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы, Ионосферы и Протоносферы.

2.3. Двумерная модель потенциала электрического поля в ионосфере

Земли в сферической геомагнитной системе координат с интегрированием по высоте токопроводящего слоя ионосферы.

2.4. Двумерная модель потенциала электрического поля в ионосфере Земли в диполярной системе координат с интегрированием вдоль силовых линий геомагнитного поля.

2.5. Зональный электроджет.

Глава 3. Численное моделирование динамо электрического поля, зонального тока и ионосферных эффектов электрического поля в спокойных геомагнитных условиях

3.1. Сравнение моделей динамо электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли с интегрированием вдоль геомагнитного поля и по высоте.

3.2. Исследование влияния нижних граничных условий в термосфере на распределение динамо электрического поля в ионосфере Земли.

3.3. Численное моделирование UT-вариации экваториального электроджета.

3.4. Численное моделирование ионосферных эффектов динамо электрических полей в экваториальной ионосфере.

3.4.1. Расслоение Р2-слоя экваториальной ионосферы и формирование

F3- и G-слоев.

3.4.2. Экваториальная ионизационная аномалия, экваториальная аномалия в электронной температуре и их UT-вариация.

Глава 4. Численное моделирование суперпозиции динамо поля и поля магнитосферной конвекции и их ионосферных эффектов

4.1. Численное моделирование электрического поля магнитосферной конвекции и исследование его влияния на зональный ток в ионосфере и электрическое поле на геомагнитном экваторе.

4.2. Численное моделирование влияния магнитосферной конвекции на формирование и развитие экваториальной ионизационной аномалии, главного ионосферного провала и экваториальной аномалии в электронной температуре..

4.3. Поведение ионосферных параметров над станцией Jicamarca, рассчитанное с учетом суперпозиции динамо поля и поля магнитосферной конвекции.

4.4. Провал легких ионов и тепловой баланс внешней ионосферы в спокойных геомагнитных условиях.

Глава 5. Численное моделирование некоторых типов ионосферных возмущений с учетом электрических полей

5.1. Магнитосферная суббуря.

5.1.1. Влияние высыпаний энергичных частиц во время магнитосферной суббури на поведение зонального тока и критической частоты

F2-cjkw ионосферы.

5.1.2. Магнитосферные суббури с различными моментами начала.

5.1.2.1. Экваториальный и авроральный электроджеты.

5.1.2.2. Главный ионосферный провал, экваториальная ионизационная аномалия и ионосферные эффекты суббурь.

5.2. Экваториальный электроджет во время Солнечного затмения 8 апреля

2005 года.

5.3. Ионосферные предвестники сильных землетрясений.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Электрические поля и токи играют очень важную роль в поведении ионосферы в области высоких широт и вблизи геомагнитного экватора. Особенно возрастает их роль в периоды магпитосферных возмущений, когда ионосфера испытывает значительные изменения. Ионосфера является средой распространения радиоволн, через ионосферу осуществляется радиосвязь космических аппаратов с Землей, навигация воздушных и морских судов, радиолокация и пеленгация. Поэтому необходимо предвидеть те, иногда катастрофические, изменения параметров ионосферы, которые происходят в периоды возмущений, приводящие к нарушению, а иногда и к полному исчезновению радиосвязи. Отсюда следует, что исследование электрических полей и токов и их влияния на поведение ионосферы представляет собой актуальную задачу.

Остается актуальной проблема прогнозирования землетрясений вследствие катастрофических последствий, которые они вызывают. Полученные в последнее время свидетельства того, что в ионосфере за несколько дней до землетрясений формируются их предвестники, позволяют надеяться па возможность хотя бы краткосрочного прогноза землетрясении. Одним из возможных механизмов формирования таких ионосферных предвестников землетрясений являются электрические поля сейсмогенного происхождения, что также указывает на актуальность исследования электрических полей и их эффектов в ионосфере Земли.

Целью диссертационной работы является исследование методами математического моделирования электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и токов в ионосфере Земли, их ионосферных эффектов, а также эффектов электрических полей в ионосфере, возможно, сейсмогенного происхождения.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Создание нового блока расчета электрических полей в ионосфере Земли в Глобальной Самосогласованной Модели Термосферы, Ионосферы и Протоносферы (ГСМ ТИП), который позволил бы корректно описывать область ионосферы вблизи геомагнитного экватора и распределение зонального тока в ионосфере Земли (экваториального (EEJ) и авроральных (AEJ) электроджетов). Вывод уравнения Пуассона в выбранном приближении и запись его в разностном виде для решения конечно-разностными методами.

2. Написание программы расчета электрических полей и токов в ионосфере Земли, ее отладка и тестирование, сопряжение с моделью ГСМ ТИП и реализация в виде отдельного блока расчета электрического поля и зонального тока в ионосфере в модели ГСМ ТИП.

3. Проведение исследований глобального распределения электрических полей гермосферного и магпитосферного происхождения и зональных токов в ионосфере Земли в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях. Сравнение полученных результатов расчетов с экспериментом

4. Проведение исследований эффектов рассчитываемых электрических полей на поведение ионосферы. В частности, исследование роли электрических полей в формировании и поведении таких крупномасштабных неоднородностей ионосферы, как дневная и ночная экваториальная ионизационная аномалия (ЭА и ночная ЭА), экваториальная аномалия в электронной температуре (ЭАЭТ), EEJ и авроральные электроджеты, главный ионосферный провал (ГИП) и провал легких ионов (ПЛИ).

5. Проведение исследования роли электрических полей в процессе расслоения экваториального Р2-слоя и в формировании дополнительного экваториального РЗ-слоя.

6. Проведение исследования роли электрических полей и токов в ионосфере в периоды таких возмущений, как магнитосферная суббуря и солнечное затмение. А также рассмотрение электрического поля в качестве возможного механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений.

Методы исследования

В работе использовались методы математического моделирования электрических полей и токов в ионосфере Земли. Моделирующие уравнения записывались в разностном виде и решались хорошо известными конечно-разностиыми методами. Кроме того, для исследований эффектов электрических полей в ионосфере использовалась модель ГСМ ТИП, в которой глобальные распределения всех параметров верхней атмосферы рассчитываются путем численного интегрирования системы квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса нейтральной и заряженной компонент верхней атмосферы Земли.

Достоверность п обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются корректностью постановки задач и методов их решения, а также согласием полученных результатов численных расчетов с экспериментальными данными, модельными расчетами других авторов и современными представлениями о физике ионосферных процессов, происходящих под действием электрических полей и токов.

Научная новизна

1. Впервые в рамках единой самосогласованной модели системы термосфера, ионосфера и протоносфера реализован блок расчета электрических полей термосферного и магнитосферного происхождения и зональных токов в ионосфере Земли, позволяющий корректно описывать распределение электрического поля и зонального тока не только в высоких и средних широтах, но и на геомагнитном экваторе.

2. Впервые на основании численных расчетов получен дополнительный G-слой на геомагнитном экваторе на высотах —1000 км и исследован механизм его формирования. Показано, что этот слой формируется ионами Н+ за счет меридиональнои компоненты термосферного ветра.

3. Впервые методом математического моделирования проведена проверка механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений зональным электрическим полем, возможно, сейсмогенного происхождения, предложенного А.А. Намга-ладзе. Показано, что наблюдаемые за несколько дней до сильных землетрясений возмущения полного электронного содержания в околоэпицентральной области могут быть вызваны дополнительными источниками зонального электрического поля в ионосфере Земли.

Практическая ценность

Новый блок расчета электрических полей и зональных токов в модели ГСМ ТИП может быть использован как с целью проведения, прежде всего, научных исследований физики околоземного космического пространства, так и для прогнозирования и диагностики различного типа возмущений в ионосфере.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Новый блок расчета электрических полей и зональных токов в ионосфере Земли в модели ГСМ ТИП, основанный на приведении трехмерного моделирующего уравнения, описывающего закон сохранения плотности полного тока в ионосфере Земли, к двумерному виду интегрированием по толщине токопроводящего слоя ионосферы вдоль силовых линий геомагнитного поля.

2. Полученное в модели поведение экваториальных и авроральных электроджетов в спокойных условиях и во время возмущений.

3. Результаты исследования механизмов формирования в экваториальной ионосфере дополнительных слоев F3 и G. Впервые показано, что меридиональная компонента термосферного ветра может приводить к формированию ионами Н+ на высотах -1000 км дополнительного G-слоя.

4. Результаты исследования механизмов формирования главного ионосферного провала.

5. Результаты численных расчетов ионосферных предвестников землетрясений, которые убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы о зональных электрических полях, появляющихся в околоэпицентрапьных областях за несколько суток до землетрясений.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и были представлены на XI региональной конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2005), Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения К.Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кенигсберга) (Калининград, 2005), III, IV и V Международных научных конференциях «Инновации в науке и образовании - 2005, 2006, 2007» (Калининград, КГТУ, 2005, 2006, 2007), 28th, 29th, 30th Annual Seminars «Physics of Auroral Phenomena"Apatity, Russia (2005, 2006, 2007), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2006, 2007), 6th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2006), 36lh COSPAR Scientific Assembly (Beijing, China, 2006), U.R.S.I. Landesausschuss Deutschland e.V. Kleinheubacher Tagung (Miltenberg, Germany, 2006, 2007), AGU Chapman Conference on Mid-latitude Ionospheric Dynamics and Disturbances (Yosemite, USA, 2007), CPEA Symposium (Kyoto, Japan, 2007), Greenland IPY 2007 Space Science Symposium (Kangerlussuaq, Greenland, 2007), Joint Assembly AGU 2007 (Acapulco, Mexico, 2007), International Beacon Satellite Symposium (Boston, Boston College, USA, 2007), XXIV General Assembly of IUGG (Perugia, Italy, 2007), IRI/COST 296 Workshop "Ionosphere - Modelling, Forcing and Telecommunications" (Prague, Czech Republic, 2007), 4th Annual AOGS 2007 Assembly (Bangkok, Thailand, 2007), IV Международной конференции "Солнечно-Земные связи и предвестники землетрясений" (Па-ратунка, Камчатка, 2007), AGU Fall Meeting (San Francisco, USA, 2007), 9th International Conference on Substorms (Seggau Castle, Austria, 2008), 12 International Symposium on Equatorial Aeronomy (Crete, Greece, 2008).

По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 12 статей и 53 тезиса докладов. Из них 2 статьи опубликованы в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа содержит 146 страниц текста, в том числе 83 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 179 наименований. Содержание работы

Основные результаты диссертационной работы представлены ниже.

1. Разработан новый блок расчета электрических полей и зональных токов в ионосфере Земли в модели ГСМ ТИП. В этом блоке приведение трехмерного моделирующего уравнения, описывающего закон сохранения плотности полного тока в ионосфере Земли, к двумерному виду осуществляется его интегрированием по толщине токопроводящего слоя ионосферы вдоль силовых линий геомагнитного поля. Использование нового блока расчета электрических полей позволило корректно описать поведение электрического поля на геомагнитном экваторе. Полученные в модельных расчетах глобальные распределения потенциала электрического поля удовлетворительно согласуются с результатами модельных расчетов других авторов.

2. Проведены численные расчеты поведения экваториального и авроральных электроджетов в спокойных условиях и во время возмущений. Показано, что: а) В спокойных условиях интенсивность восточного аврорального электроджета больше, чем западного. Во время суббурь интенсивность авроральных электроджетов возрастает, а разрыв Харанга смещается в вечерний сектор. Причем за счет дополнительных выспаний энергичных частиц из магнитосферы в высокоширотную ионосферу западный электроджет становится больше, чем восточный. Кроме того, суббуря, начинающаяся в 18:00 UT вызывает наибольшие изменения авроральных электроджетов по сравнению с суббурями, начинающимися в другие моменты UT. Полученные результаты модельных расчетов согласуются с морфологической картиной поведения авроральных электроджетов во время магнитосферных возмущений. б) В спокойных условиях существует UT-вариация экваториального электроджета. Наибольшие и наименьшие значения максимальной интенсивности экваториального электроджета могут отличаться в 2 раза. В результатах наших расчетов максимальная интенсивность экваториального электроджета приходится примерно на 11.00 LT и составляет ~35 А/км, что согласуется с экспериментальными данными и модельными расчетами других авторов. Во время суббурь, в основном, происходит уменьшение интенсивности экваториального электроджета за счет проникновения электрического поля магнитосферной конвекции к экватору. Однако, во время суббури, начавшейся в 18.00 UT, восточный экваториальный электроджет вначале возрастает, а затем падает относительно спокойных значений. Во время солнечного затмения интенсивность экваториального электроджета уменьшается либо за счет изменений условий экранирования поля магнитосферной конвекции, либо за счет локальных изменений проводимости в области экваториального электроджета. При моделировании ионосферных предвестников землетрясений действие дополнительных источников зонального электрического поля, возможно, сейсмогенного происхождения проявляется в виде отчётливых эффектов в экваториальном электроджете

3. В результатах модельных расчетов получено расслоение Р2-слоя экваториальной ионосферы и формирование дополнительных слоев F3 и G. Проведены исследования механизмов формирования в экваториальной ионосфере этих слоев. Слой F3 формируется зональной компонентой электрического поля за счет расслоения экваториального Р2-слоя. Показано, что расслоения экваториального Р2-слоя ионосферы и РЗ-слой формируются только при наличии восточной компоненты электрического поля достаточной амплитуды (>0,2 мВ/м). Впервые показано, что меридиональная компонента термосферного ветра может приводить к формированию ионами Н+ на высотах —1 ООО км дополнительного G-слоя.

4. Главный ионосферный провал формируется без учета электромагнитных дрейфов за счет недозаполненности плазменных трубок на L > 2 и высыпаний низкоэнергичных частиц в авроральной зоне. Учет электромагнитного дрейфа завершает формирование ГИП, углубляя и сдвигая его к экватору. При этом динамо электрическое поле и поле магнитосферной конвекции без экранирования углубляют провал и сдвигают его к экватору, а экранирование уменьшает глубину провала и смещает его к полюсу. Меридиональный ветер уменьшает глубину ГИП.

5. Механизм формирования ночной экваториальной ионизационной аномалии аналогичен механизму формирования дневной ЭА. Экваториальная ионизационная аномалия формируется меридиональным дрейфом, который вместе с диффузией плазмы вдоль силовых линий геомагнитного поля приводит к известному фонтан-эффекту. При этом ночная ЭА формируется послезаходным всплеском восточного динамо электрического поля на геомагнитном экваторе. Учет поля магнитосферной конвекции без экранирования приводит к исчезновению ночной ЭА. Учет экранирования поля магнитосферной конвекции полем Апьвеновского слоя препятствует исчезновению ночной ЭА под действием поля магнитосферной конвекции.

6. Модельные расчеты показали, что ночной среднеширотный максимум в широтном поведении foF2, наблюдающийся в эксперименте, формируется меридиональной компонентой термосферного ветра. Динамо электрическое поле приводит к небольшому росту этого максимума и его сдвигу в сторону экватора.

7. Проведены модельные исследования ионосферных предвестников землетрясений на модели ГСМ ТИП. Целью этих исследований была проверка предложенного А.А. Намгаладзе механизма формирования ионосферных предвестников землетрясений зональными электрическими полями, возможно, сейсмогенного происхождения. Результаты численных расчетов ионосферных предвестников землетрясений согласуются с наблюдениями. Это убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы о зональных электрических полях, появляющихся в околоэпицентральных областях за несколько суток до землетрясений и вызывающих локальные изменения ТЕС в средних широтах и в области экваториальной аномалии.

Автор выражает искреннюю благодарность доктору физ.-мат. наук, проф. Брюха-нову В.В. за научное руководство и всестороннюю неоценимую помощь в период моего обучения в аспирантуре Калининградского государственного технического университета, а также глубокую признательность доктору физ.-мат. наук, проф. Намгаладзе А.А. и кандидатам физ.-мат. наук Клименко В.В. и Захаренковой И.Е. за плодотворное сотрудничество и полезные дискуссии.

Заключепие

1. Альвен Г., Фельтхаммар К.-Г. Космическая электродинамика. М.: Мир. 1967. 260с.

2. Антонова Е.Е. Конвекция и структура токов в магнитосфере Земли. Обзорная статья. В кн.: Сборник НИИЯФ МГУ, посвященный памяти Б.А. Тверского. Солнечно-Земная физика. Проект "СиЗиФ". http://www.kosmofizika.ru/abmn/ant/antl.htm -ant7.htm. 2002.

3. Антонова Е.Е., Ганюшкина Н.Ю. Геометрия магнитного поля магнитосферы Земли и генерация продольных токов // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т.35. №5. С.9-15.

4. Антонова Е.Е., Тверской Б.А. О природе электрических полей во внутренней магнитосфере Земли (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т.36. №2. С. 1-18.

5. Бенькова Н.П., Васильев К.Н., Коломийцев О.П., Прутенский И.С. Дополнительное расслоение электронной концентрации в слое F2 вблизи экватора // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т.18. №6. С. 1033-1039.

6. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука. 1988. 526с.

7. Гальперин Ю.И., Джапаридзе Г.А., Джорджио Н.В. Эффекты сильных землетрясений в верхней ионосфере, выявленные с помощью искусственного спутника Земли "Оре-ол-3" // Тр. Тбил. ун-та. 1992. Вып. 313. С.57-72.

8. Герендель Г., Люст Р. Искусственные облака плазмы в космическом пространстве // УФН. 1969. Т.98. №4. Р.709-721.

9. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы. М.: Наука. 1974. 256с.

10. Деминов М.Г., Ким В.П., Шубин В.Н., Хегай В.В. Аналитическая модель ионосферной конвекции на субавроральных широтах // Ионосфер, исслед. М. 1987. №43. С.98-103.

11. Денисенко В.В., Еркаев Н.В., Китаев А.В., Матвеенков И.Т. Математическое моделирование магнитосферных процессов. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение. 1992. 197с.

12. Денисенко В.В., Замай С.С. Вклад высокоширотных источников в электрические поля и токи, наблюдаемые в экваториальной ионосфере. В кн.: Численное моделирование. ВЦ СО АН СССР. Красноярск. 1988. 99с.

13. Денисенко В.В., Замай С.С. Математическое моделирование глобальных электрических полей и токов в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т.31. №3. С.539-542.

14. Еркаев Н.В. Результаты исследования МГД-обтекания магнитосферы. (Обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. Т.28. №4. С.529-541.

15. Захаренкова И.Е. Использование измерений сигналов системы GPS для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений // Дисс. на соиск. уч. ст. канд. физ.-мат. наук, Калининград: РГУ им. И.Канта, 2007. 146с.

16. Захаров В.Е., Пудовкин М.И. Изучение роли неадиабатических эффектов в плазменном слое при стационарной магнитосферной конвекции // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т.32. №6. С.36-42.

17. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука. 1978. 512с.

18. Карпов И.В., Глущенко Т.А. Долготные вариации в нижней термосфере, индуцированные солнечно-мигрирующими приливами // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т.37. №3. С.168-171.

19. Клименко В.В., Бессараб Ф.С., Кореньков Ю.Н. Численное моделирование эффектов солнечного затмения 11 августа 1999 года во внешней ионосфере // Космические исследования. 2007а. Т.45. №2. С.114-121.

20. Клименко В.В., Намгаладзе А.А. О роли конвекции в формировании провала и плазмопаузы // Геомагнетизм и аэрономия. 1980. Т.20. №5. С.946-950.

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

22. Клименко В.В., Кореньков Ю.Н., Намгаладзе А.А. Влияние плазменных движений на распределение ионной и электронной температур в протоносфере и ионосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т.32. №5. С.76-81.

23. Клименко М.В., Клименко В.В., Брюханов В.В. Сравнение двух вариантов модели электрического поля в ионосфере Земли // Известия КГТУ. 2005. №8. С.59-68.

24. Клименко М.В., Клименко В.В., Брюханов В.В. Численное моделирование аврорального электроджета во время геомагнитной суббури // Вестник МГТУ. 20066. Т.9. №3. С.453-457.

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

26. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука. 1984. 189с.

27. Ларкина В.И., Мигулин В.В., Сергеева Н.Г., Сенин Б.В. Сравнительный анализ электромагнитных эффектов над зонами тектонических разломов // Докл. РАН. 2001. Т.376. №4. С.532-538.

28. Ляцкий В.Б. Токовые системы магнитосферно-ионосферных возмущений. JL: Наука. 1978. 198с.

29. Мальцев Ю. П. Лекции по магнитосферно-ионосферной физике / Под ред. В.Г. Пиво-варова, ПГИ, Апатиты: КНЦ РАН. 1995. 121с.

30. Намгаладзе А.А., Клименко В.В. Самосогласованное моделирование электродинамических процессов в термосфере, в ионосфере и в магнитосфере Земли. В кн.: Пробл. косм, электродинам. Регион, семин., 6-8 июля, 1988. Тез. докл. Якутск. 1988. С.26-27.

31. Намгаладзе А.А. О возможных физических механизмах формирования ионосферных предвестников землетрясений // Материалы Международной научно-технической конференции "Наука и образование-2007", Мурманск: МГТУ. 2007. С.358-362.

32. Пономарев Е. А. Механизмы магнитосферных суббурь / Отв. ред. Ю. И. Гальперин, М: Наука. 1985. 159с.

33. Прутенский И.С. Проявление на ионограммах динамических процессов, протекающих в ионосфере низких широт // Исследование структуры и волновых свойств приземной плазмы. М.: 1985. С. 130-142.

34. Пудовкин М.И., Зайцева С.А., Захаров В.Е. Структура магнитосферы и магнитосфер-но-ионосферные связи. В кн.: Поляр, ионосфера и магнитосфер.-ионосфер. связи. Якутск: ЯФ СО АН СССР, ИКФИА. 1984. С.3-49.

35. Пулинец С.А., Хегай В.В., Боярчук К.А., Ломоносов А.М. Атмосферное электрическое поле как источник изменчивости ионосферы //УФН. 1998. Т.168. №5. С.582-589.

36. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука. 1977. 656с.

37. Сорокин В.М., Чмырев В.М. Электродинамическая модель ионосферных предвестников землетрясений и некоторых видов катастроф // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т.42. №6. С.821-830.

38. Суроткин В.А., Клименко В.В., Намгаладзе А.А. Численная модель экваториальной ионосферы. В кн.: Исследование ионосфернойф динамики. М.: ИЗМИР АН. 1979. С.58-68.

39. Суроткин В.А., Намгаладзе А.А., Коломийцев О.П. Моделирование суточного развития расслоений Р2-области экваториальной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т.25. №3. С.394-399.

40. Трошичев О.А., Цыганенко Н.А. Системы конвекции в полярной ионосфере, учитывающие влияние Bz и Ву-компонент ММП и "квазивязкое" трение // Магнитосфер-ные исследования. М.: Радио и связь. 1982. №1. С.77-83.

41. Уваров В.М., Лукьянова Р.Ю. Глобальное распределение электрического потенциала в экстремально спокойных геомагнитных условиях. Численная модель // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т.39. №3. С.62-68.

42. Фельдштейн Я.И., Левитин А.Е., Афонина Р.Г., Белов Б.А. Магнитосферно-ионосферные связи. В кн. Межпланетная среда и магнитосфера Земли. М.: Наука. 1982. С.75-119.

43. Фидель Б.В., Кутимская М.А. Модели экваториальной электроструи. Иркутск, ун-т. Иркутск. 1978. 55с.

44. Фидель Б.В., Мишин В.М. UT-вариации Sq-токов и теория атмосферного динамо // Исслед. по геомагнетизму, аэрон, и физ. Солнца, М. 1988. №82. С.76-89.

45. Фидель Б.В. О применимости метода Либмана при решении задач теории атмосферного динамо // Исслед. по геомагнетизму, аэрон, и физ. Солнца, М. 1982. №62. С.85-91.

46. Abdu М.А. Equatorial ionosphere-themosphere system: Electrodynamics and irregularities // Adv. Space Res. 2005. V.35. P.771-787.

47. Ahn B.-H., Chen G.X., Sun W., Gjerloev J.W., Kamide Y., Sigwarth J.B., Frank L.A. Equa-torward expansion of the westward electrojet during magnetically disturbed periods // J. Geophys. Res. 2005. V.110. AO 1305/1- A01305/11.

48. Anderson D.N. A theoretical study of the ionospheric F region equatorial anomaly — I. Theory // Plan. Space Sci. 1973. V.21. №3. P.409-419.

49. Appleton E.V. Two anomalies in the ionosphere // Nature. 1946. V. 157. P.691.

50. Axford W.I., Hines C.O. A Unifying Theory of High-latitude Geophysical Phenomena and Geomagnetic Storms // Canad. J. Phys. 1961. V.39. №10. P.1433-1464.

51. Bailey G.J., Balan N. Some modeling studies of the equatorial ionosphere using the Sheffield University Plasmasphere-ionosphere model // Adv. Space Res. 1996. V.18. №6. P.59.

52. Balan N., Bailey G.J., Abdu M.A., Oyama K.I., Richards P.G., MacDougall J., Batista I.S. Equatorial plasma fountain and its effects over three locations: Evidence for an additional layer, the F3 layer//J. Geophys. Res. 1997a. V.102. №A2. P.2047-2056.

53. Balan N., Oyama K.I., Bailey G J., Fukao S., Watanabe S., and Abdu M.A. A plasma temperature anomaly in the equatorial topside ionosphere // J. Geophys. Res. 1997b. V.102. P.7485-7492.

54. Bartels J., Johnston H.F. Geomagnetic tides in horizontal intensity at Huancayo: 1 // J. Geophys. Res. 1940. V.75. P.269-308.

55. Baumjohann W., Haerendel G., Melzner F. Magnetospheric convection observed between 0600 and 2100 LT: Variations with Kp Hi. Geophys. Res. 1985. V.90. P.393-398.

56. Birkeland K. On the cause of magnetic storms and the origin of terrestrial magnetism // The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903. V.l. Sect.l. Aschehoug, Christiania. 1908.

57. Blanc M., Caudal G. The spatial distribution of magnetospheric convection electric fields at ionospheric altitudes: a review. 2. Theories // Ann. Geophys. 1985. V.3. №1. P.27-42.

58. Blanc M., Richmond A.D. The ionospheric disturbance dynamo // J. Geophys. Res. 1980. V.85. P. 1669.

59. Bostrom R.A. A model of the auroral electrojets // J. Geophys. Res. 1964. V.69. №23. P.4983-5000.

60. Bostrom R. Ionosphere-magnetosphere coupling // Magnetospheric Phys. Proc. Adv. Summer Inst. Sheffield U.K., 1974. Dordrecht-Boston. P.45-59.

61. Boyle C.B., ReifT P.H., Hairston M.R. Empirical polar cap potentials // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. №A1. P. 111-125.

62. Carpenter D.L. Whistler evidence of a 'knee' in the magnetospheric ionization density profile //J. Geophys. Res. 1963. V.68. P. 1675-1682.

63. Casey J.P. Overview of the Equatorial Electrojet and Related Ionospheric Current Systems. http://handle.dtic.mi1/lQ0.2/ADA436210.2005.Technical rept. № AO 12634. 75p.

64. Chapman S. The electric current-systems of magnetic storms // Terr. Mag. Atomos. Phys. 1935. V.40. P.349.

65. Chapman S. The Equatorial electrojet as detected from the abnormal electric current distribution above Huancayo, Peru and elsewhere // Archiv fuer Meteorologie, Geophysik und Bioklimatologie. 1951. Serie A 44. P.368-390.

66. Cowling T.G. The magnetic field of sunspots // Mon. Not. R. Astron. Soc. 1933. V.94. P.39.

67. Denton M.H., Bailey G.J. Modeling the high altitude electron temperature: a modified thermal conductivity // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 2001. V.34. P.365-381.

68. Doumouya V., Cohen V. Improving and testing the empirical equatorial electrojet model with CHAMP satellite data // Ann. Geophys. 2004. V.22. P.3323-3333.

69. Du J., Stening R.J. Simulating the ionospheric dynamo II. Equatorial electric felds // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1999. V.61. 925-940.

70. Dungey J.W. Interplanetary Magnetic Field and the Auroral Zones // Phys. Rev. Lett. 1961. V.6. №1. P.47-48.

71. Egedal J. The magnetic diurnal variation of the gorizontal force near the magnetic equator // Terr. Magn. Atmos. Electr. 1947. V.52. P.449-451.

72. Fahleson U. Theory of electric field measurements conducted in the magnetosphere with electric probes // Space Sci. Rev. 1967. V.7. P.238-262.

73. Farley D.T. Early incoherent scatter observations at Jicamarca // J. Atmosph. Terr. Phys. 1991. V.53. P.665-675.

74. Fejer B.G. Equatorial ionospheric elcctric fields associated with magnetospheric disturbances. In: Solar Wind-Magnetosphere Coupling, Y. Kamide and J. Slavin (eds.), Terra Scientific Pub. Co., Tokyo, 1986. P.519-545.

75. Feldstein Ya.I. Substorm Current Systems and Auroral Dynamics. In: Magnerospheric Sub-storms. Ed. by J.K. Kan, T.A. Potemra, S. Kokubun, T. lijima. Amer. Geophys. Union, 1991. P.29-41.

76. Fesen C.G., Crowley G., Roble R.G., Richmond A.D., Fejer B.G. Simulation of the pre-reversal enhancement in the low latitude vertical ion drifts // Geophys. Res. Lett. 2000. V.27. №13. P.I85I-1854.

77. Fontaine D., Blanc M., Reinhart L., Glowinski R. Numerical simulations of the magneto-spheric convection including the effects of electron precipitation // J. Geophys. Res. 1985. V.A90. №9. P.8343-8360.

78. Forbes J.M., Garrett H.B. Solar Tidal Wind Structures and the E-Region Dynamo // J. Geophys. Res. 1979. V.31. P. 173-182.

79. Forbes J.M. The equatorial electrojet // Rev. Geophys. Space Phys. 1981. V.19. №3. P.469-504.

80. Goldstein J., Wolf R. A., Sandel B. R., Reiff P.H. Electric fields deduced from plasmapause motion in IMAGE EUV images // Geophys. Res. Lett. 2004. V.31. L01801. doi:10.1029/ 2003G1018797.

81. Gouin P., Mayaud P.N. A propos de l'existence possible d'un "contre-electrojet" aux latitudes magnetiques equatoriales // Ann. Geophysicae. 1967. V.23. P.41-47.

82. Gurevich A.V., Krylov A.L., Tsedilina E.E. Electric fields in the Earth's magnetosphere and ionosphere // Space Sci. Revs. 1976. V.19. №1. P.59-160.

83. Harel M., Wolf R.A., Reiff P.H., Spiro R.W. Quantitative Simulation of a Magnetospheric Substorm. 1. Model Logic and Overview // J. Geophys. Res. 1981. V.A86. №4. P.2217-2241.

84. Hedin A.E. Extension of the MSIS Thermosphere Model into the Middle and Lower Atmosphere Hi. Geophys. Res. 1991. V.96. №A2. P.l 159-1172.

85. Heelis R.A. Electrodynamics in the low and middle latitude ionosphere: a tutorial // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. V.66. №10. P.825-838.

86. Heppner J.P. Electric Fields in the Magnetosphere. In: Critical Problems of Magnetospheric Physics. Ed. by E.R. Dyer. National Academy of Sciences, Washington. 1972. P.l 07-131.

87. Hirao K., and Oyama K. Effect of electron heating on the electron temperature probe // J. Geomag. Geoelectr. 1970. V.22. P.341-352.

88. Huang C. A certain behavior of the ionospheric F2 region at low latitudes // Radio Sci. 1974. V.9. №5. P.519-532.93. lijima Т., Potemra T.A. Field-Aligned Currents in the Dayside Cusp Observed by Triad // J. Geophys. Res. 1976. V.81. №34. 5971-5979.

89. Ivers D., Stening R., Turner J., Winch D. Equatorial electrojet from 0rsted scalar magnetic field observations Hi. Geophys. Res. 2003. V.A108. №2. doi:10.1029/2002JA009310.

90. Kamide Y. VII-1. The Auroral Electrojets: Relative Importance of Ionospheric Conductivities and Electric Fields. In: Auroral Physics. Ed. by C.-I. Meng, M.J. Rycroft, and L.A. Frank, Cambridge UP. 1991. P.385-399.

91. Kikuchi Т., Hasimoto K.K., Kitamura T.-I., Tachihara H., and Fejer B. Equatorial counte-relectrojets during substorms. J. Geophys. Res. 2003. V.108. №A11. 1406. P.SIA6/1-SIA6/13.

92. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Investigation of formation mechanisms of equatorial ionosphere F2-layer stratifications, F3- and G-layers // Geophys. Res. Abstracts. 2006b. V.8. P. 00078.

93. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Bryukhanov V.V. Numerical modeling of the equatorial electrojet UT-variation on the basis of the model GSM TIP // Advances in Radio Science. 2007. V.5. P.385-392.

94. Knudsen W.C., Banks P.M., Winningham J.D., Klumpar D.M. Numerical model of the convecting F2-ionosphere at high latitudes // J. Geophys. Res. 1977. V.82. №29. P.4784-4792.

95. Kobea A.T., Amory-Mazaudier C.J., Do J.M., Liihr H., Houngninou E., Vassal J., Blanc E., Curto J.J. Equatorial electrojet as part of the global circuit: a case-study from IEEY // Ann. Geophysicae. 1998. V.16. P.698-710.

96. Larkina V.I. Response of the plasmasphere to earthquakes // Тез. докл. Междунар. симп. "Спутников, исслед. ионосфер, и магнитосфер, процессов". М. 1995. С.32-33.

97. Lemaire J.F., Gringauz K.I. The Earth's Plasmasphere. Cambridge University Press, Cambridge. 1998.

98. Le Mouel J.-L., Shebalin P., Chulliat A. The field of the equatorial electrojet from CHAMP data// Ann. Geophys. 2006. V.24. P.515-527.

99. Liilir H., Maus S., Rother M. Noon-time equatorial electrojet: Its spatial features as determined by the CHAMP satellite // J. Geophys. Res. 2004. V.A109. №1. A01306/1-A01306/10.

100. Lynn K.J.W., Harris T.J., Sjarifixdin M. Stratification of the F2 layer observed in Southeast Asia// J. Geophys. Res. 2000. V.105. P.27147-27156.

101. Martyn D.F. Atmospheric tides in the ionosphere. 1. Solar tides in the F2 region // Proc. Roy. Soc. London 1947. V.A189. P.241-260.

102. Mcllwain C.E. Coordinates for mapping the distribution of magnetically trapped particles // J. Geophys. Res. 1961. V.66. №11, P.3681-3691.

103. J13. Mingaleva G.I., Mingalev V.S. The formation of electron-temperature hot spots in the main ionospheric trough by the internal processes // Ann. Geophys. 1996. V.14. №8. P.816-825.

104. Mishin V.M., Bazarzhapov A.D., and Shpynev G.B. Electric fields and currents in the Earth's magnetosphere. In: Dynamics of the Magnetosphere. Ed. by S.-I. Akasofu, D. Rei-del, Norwell, Mass., 1980. P.49-268.

105. Moretto Т., Olsen N., RitterP., Lu G. Investigating the auroral electrojets with low altitude polar orbiting satellites//Annales Geophysicae. 2002. V.20. P. 1049-1061.

106. Mozer F.S. Analysis of Techniques for Measuring DC and AC Electric Fields in the Magnetosphere // Space Sci. Rev. 1973. V.14. P.272.

107. Mozer F., Manka R. Magnetospheric Electric Field Properties Deduced from Simultaneous Balloon Flights // J. Geophys. Res. 1971. V.76. №7. P.1697-1712.

108. Muldrew D.B. F-layer ionization troughs deduced from Alouette data // Journal of Geophysical Research. 1965. V.70. №11. P.2635-2650.

109. Nakamura, M., H. Hayakawa, K. Tsuruda Electric field measurement in the ionosphere using the time-of-flight technique //J. Geophys. Res. 1989. V.94. №A5. P.5283-5291.

110. Namgaladze A.A., Martynenko O.V., Volkov M.A., Namgaladze A.N., Yurik R.Yu. High-latitude version of the global numerical model of the Earth's upper atmosphere // Proceedings of the MSTU. 1998. V.l. №2. P.23-84.

111. Newell, P.T., C.-I. Meng, and D.A. Hardy, Overview of electron and ion precipitation in the auroral oval. In: Auroral Physics. Ed. by C.-I. Meng, M.J. Rycroft and L.A. Frank, 1991. P.85-95.

112. Newell P.T., Feldstein Y.I., Galperin Y.I., Meng C.-I. Morphology of nightside precipitation//J. Geophys. Res. 1996. V.101. №A5. P. 10737-10748.

113. Nishida A. Formation of plasmapause, or magnetospheric plasma knee, by the combined action of magnetospheric convection and plasma escape from the tail // J. Geophys. Res. 1966. V.71. P.5669-5679.

114. Ogbuehi P.O., Onwumechili C.A., Ifedili S.O. The equatorial electrojet and the worldwide part of Sq currents // J. Atmos. Terr. Phys. 1967. V.29. P. 149.

115. Okeke F.N., Hamano Y. Daily variations of geomagnetic H, D and Z-field at equatorial latitudes // Earth Planets Space. 2000. V.52. P.217-243.

116. Okeke F. N., Onwumechili C. A., Rabiu A. B. Day to day variability of geomagnetic hourly amplitudes in low latitude // Geophys. J. Int. 1998. V.134. P.484.

117. Okeke F. N. Variability of horizontal component of geomagnetic element (H) with mean quiet-day variation // Intern. J. Geomag. and Aeronomy. 2006. V.6. №2. GI2005/1-GI2005/4.

118. Onwumechili C.A. The Equatorial Electrojet. Gordon and Breach Science Publishers, CRC Press. 1997. 627p.

119. Osborne D.G. Daily and seasonal changes of the equatorial electrojet in Peru // J. Atmos. Terr. Phys. 1964. V.26. P. 1097.

120. Prolss G.W. The ionospheric heating beneath the magnetospheric cleft revisited // Ann. Geophys. 2005. V.23. P.827-830.

121. Pudovkin M.I. Electric fields and currents in the ionosphere // Space Sci. Revs. 1974. V.16. №5-6. P.727-770.

122. Pulinets S.A., Boyarchuk К. Ionospheric Precursors of Earthquakes. Springer, Berlin, Germany. 2004.315р.

123. Raghavarao R., Sivaraman M.R. Ionization ledges in the equatorial ionosphere // Space Res. 1975. V.15.P.385.

124. Rastogi R.G. Westward equatorial electrojet during day-time hours // J. Geophys. Res. 1974. V.79. P. 1503-1512.

125. Rastogi R.G. Midday reversal of equatorial ionospheric electric field // Ann. Geophys. 1997. V.15. P.1309-1315.

126. Reddy C.A. The equatorial electrojet // Pure and Appl. Geophys. 1989. V.131. №3. P.485-508.

127. Richmond A.D. Equatorial Electrojet. Part II. Use of the Model to Study the Equatorial Ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1973. V.35. P.l 105-1118.

128. Richmond A.D. Modeling Equatorial Ionospheric Electric Fields // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V.57, P.l 103-1115.

129. Richmond A.D. Ionospheric wind dynamo theory. A review // J. Geomagn. Geoelectr. 1979. V.31. №3. P.287-310.

130. Richmond A.D., Matsushita S. Thermospheric response to a magnetic substorm // J. Geophys. Res. 1975. V.80. P.2839-2850.

131. Richmond A.D. Modeling the ionosphere wind dynamo: A review // Pure Appl. Geophys. 1989. V.131.№3.P.413-435.

132. Richmond A.D., Peymirat C., Roble R.G. Long-lasting disturbances in the equatorial ionospheric electric field simulated with a coupled magnetosphere-ionosphere-thermosphere model // J. Geophys. Res. 2003. V.108. №A3. SIA5/1- SIA5/12.

133. Richmond A.D., Ridley E.C., and Roble R.G. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics // Geophys. Res. Lett. 1992. V.19. №6. P.601-604.

134. Richmond A.D., Roble R.G. Electrodynamic effects of thermospheric winds from the NCAR thermospheric general circulation model // J. Geophys. Res. 1987. V.92. №A11. P. 12365-12376.

135. Rishbeth H. Polarization Fields Produced by Winds in the Equatorial F-Region // Planet. Space Sci. 1971. V.19. P.357-369.

136. Rishbeth H. The equatorial F-layer: progress and puzzles // Ann. Geophys. 2000. V.18. P.730-739.

137. Rishbeth H., van Zandt Т.Е., Hanson W.B. Ion temperature troughs in the equatorial topside ionosphere // Planetary and Space Science. 1977. V.25. №7. P.629-642.

138. Roble R.G., Tzur I. The global atmospheric Electrical Circuit. In: Study in Geophysics -The Earth's electrical environment. National Academy Press, Washington, DC, 1986. P.206-231.

139. Ruzhin Yu.Ya., Depueva A.Kh. Seismoprecursors in Space as Plasma and Wave Anomalies // J. Atmosph. Electr. 1996. V.l6. №3. P.251-288.

140. Saka O., Kitaniura Т., Tachihara H., ShinoharaM., Trivedi N.B., Reeves G.D., Hansen T.L. Amplitude modulation of the equatorial electrojet (EEJ) during a magnetospheric storm // J. Atinos. Solar-Terr. Phys. 1998. V.60. №11. P. 1129-1137.

141. Sampath S., Sastry T.S.G. Results in situ measurements of ionospheric currents in the equatorial region-I // Journal of Geomagnetism and Geoelectricity. 1979. V.31. P.373-379.

142. Sario Т., TakedaM., Araki Т., Sato Т., Tsuda Т., Fukao S., Kato S. A midday bite-out event of the F2-layer observed by MU radar// J. Geomagn. and Geoelec. 1989. V.41. №8. P.727-734.

143. Schunk R.W. Theoretical developments on the causes of ionospheric outflow //J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2000. V.62. P.399^120.

144. Sen H.Y. Stratification of the F2 layer of the ionosphere over Singapore // J. Geophys. Res. 1949. V.54. P.363-366.

145. Sharp G.W. Mid-latitude trough in the night ionosphere // J. Geophys. Res. 1966. V.71. №5. P. 1345-1356.

146. Shklyar D.R., Truhlik V. On the modification of light ion concentration profiles above seismically active regions: a qualitative consideration // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1998. V.60. №10. P.l025-1033.

147. Shue J.-H., Kamide Y., Newell P.T. A systematic study of effects of solar wind density on auroral electrojets // Geophys. Res. Lett. 2005. V.32. L14112. doi: 10.1029/2005GL023197.

148. Singh A., Cole K.D. A numerical model of the ionospheric dynamo. 1. Formulation and numerical technique Hi. Atmos. Terr. Phys. 1987. V.49. №6. P.521-527.

149. Stening R.J. Modeling the Equatorial Electrojet // J. Geophys. Res. 1985. V.90. №10. P.1705-1719.

150. Stening R.J. What drives the equatorial electrojet? // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V.57. №10. P.l 117-1128.

151. Stewart В. Terrestrial magnetism. In: Enciclopaedia Britannika: Chikago. 1882. V. 16. 9th. Ed. P. 159-184.

152. Tanaka T. Generation of convection in the magnetosphere-ionosphere coupling system // J. Commun. Res. Lab. 2002. V.49. №3. P.75-101.

153. Taylor H.A.(Jr.), Walsh WJ. The light ion trough, the main trough and the plasmapause // J. Geophys. Res. 1972. V.77. №34. P.6716-6723.

154. Toffoletto F.R., Sazykin S., Spiro R.W., Wolf R.A., Lyon J.G. RCM meets LFM: initial results of one-way coupling // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. V.66. P. 1361-1370.

155. Truhlik V., Triskova L., Smilauer J. Manifestation of solar activity in the global topside ion composition a study based on satellite data//Ann. Geophys. 2005. V.23. P.2511-2517.

156. Uemoto J., Ono Т., Kumamoto A., Iizima M. Ionization Ledge Structures Observed In The Equatorial Anomaly Region By Using PPS System On-board The Ohzora (EXOS-C) Satellite // Earth Planets Space. 2004. V.56 e-Letter. №7. P.e21-e24.

157. Vasyh'iinas V.M. Mathematical Models of Magnetosphere Convection and its Coupling to the Ionosphere. In: Particles and Fields in the Magnetosphere. Ed. by B.M. McCormac, D. Reidel. Dordrecht. 1970. P.60-71.

158. Venkatraman S., Heelis R.A., Hysell D.L. Comparison of topside equatorial parameters derived from DMSP, Jicamarca and another model of the ionosphere (SAMI2) // J. Geophys. Res. 2000. V.110. A01307.

159. Volland H. A Model of the Magnetospheric Electric Convection Field // J. Geophys. Res. 1978. V.A83. P.2695-2699.

160. Webb P.A., Benson R.F., Grebowsky J.M. Technique for determining midlatitude OVH4^ transition heights from topside ionograms // Radio Sci. 2006. V.41. RS6S34.

161. Webb P.A., Essex E.A. An ionosphere-plasmasphere global electron density model // Phys. Chem. Earth. 2000. (C) V.25. №4. P.301-306.

162. Wolf R.A., Jaggi R.K. Can the magnetospheric electric field penetrate to the low-latitude ionosphere? // Comments Astrophys. Space Phys. 1973. V.5. №4. P.99.

163. Wolf R.A., Spiro R.W., Sazykin S., Toffoletto F.R. How the Earth's inner magnetosphere works: An evolving picture // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V.69. №3. P.288-302.

164. Yizengaw E., Moldwin M.B. The altitude extension of the mid-latitude trough and its correlation with plasmapause position // Geophys. Res. Let. 2005. V.32. L09105.