Solar-Terrestrial PhysicsSolar-Terrestrial PhysicsСолнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics2712-96401171710.12737/19424Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийModeling the electron temperature distribution in F2 region of high-latitude ionosphere for winter solstice conditionsМоделирование распределения температуры электронов в области F2 высокоширотной ионосферы для условий зимнего солнцестоянияГоликовИннокентий АлексеевичGolikovInnokentiy Alekseevichgia2008@mail.ru
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАНЯкутскРоссияYu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RASYakutskRussian FederationИнститут космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАНЯкутскРоссияYu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RASYakutskRussian FederationСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. АммосоваЯкутскРоссияNorth-Eastern Federal UniversityYakutskRussian FederationИнститут космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАНЯкутскРоссияYu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RASYakutskRussian Federation2712201627122016245462https://zh-szf.ru/en/nauka/article/11717/view
На основе трехмерной модели высокоширотной ионосферы в переменных Эйлера, учитывающей несовпадение географического и геомагнитного полюсов, проведено исследование поведения электронной температуры Te в области F2 ионосферы в зависимости от мирового времени. Представлены результаты численного моделирования пространственно-временного распределения температуры электронов на высотах области F2 для условий зимнего солнцестояния, минимума солнечной активности и для умеренной геомагнитной активности. Показано, что распределение температуры электронов в области F2 высокоширотной ионосферы в зимний период характеризуется повышением Te в утреннем и вечернем секторах. Далее несовпадение полюсов приводит к регулярным долготным особенностям в распределении Te при суточном вращении Земли. Так, в 05 UT, когда освещено восточное полушарие, формируется зона повышенной Te только в утреннем секторе, а в 17 UT, когда освещено западное полушарие, — в обоих секторах. Обсуждаются причины формирования зон повышенной Te в зависимости от мирового времени. Проведено сопоставление результатов численных экспериментов с аналогичными, полученными с помощью других моделей.
Using the three-dimensional model of the high-latitude ionosphere in Euler variables, which takes into account the mismatch between geographical and geomagnetic poles, we study the behavior of the electron temperature Te in the F2 region as a function of universal time. We present results of the numerical modeling of spatial-temporal distribution of electron temperature in the F2 region for winter solstice, minimum solar activity, and moderate geomagnetic activity. The electron temperature distribution in the F2 region of the high-latitude ionosphere in winter is shown to be characterized by a Te increase in dawn and dusk sectors. Further, the mismatch between the poles leads to regular longitudinal features in Te distribution during Earth’s daily rotation. Thus, at 05 UT, when the Eastern Hemisphere is illuminated, the elevated Te zone is formed only in the dawn sector, and at 17 UT, when the Western Hemisphere is illuminated, such zones are observed in both the sectors. We discuss reasons for the formation of the regions with elevated electron temperature depending on the universal time. The results of numerical experiments are compared with similar results obtained with other models.
высокоширотная ионосфераобласть F2трехмерная модельскорости нагревания и охлаждения электронов и ионовтемпература электронов и ионовзоны повышенной температуры электроновдолготные особенностиhigh-latitude ionosphereF2 regionthree-dimensional modelrate of heating and cooling of electrons and ionselectron and ion temperatureselevated electron temperature regionslongitudinal features
ВВЕДЕНИЕМатематическое моделирование высокоширотной ионосферы предполагает численное решение системы уравнений гидродинамики с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов.Это обусловлено тем, что крупномасштабная структура высокоширотной ионосферы контролируется мировым временем (UT-контроль). Причем эффект несовпадения полюсов должен влиять и на тепловой режим высокоширотной ионосферы. Поэтому в расчетах пространственно-временного распределения температуры заряженных частиц возникает необходимость учета UT-контроля. Численному моделированию теплового режима высокоширотной ионосферы на основе подхода Лагранжа посвящен ряд работ [Schunk et al., 1986; Клименко et al., 1991; Mingalev et al., 2002], где изучены, в частности, причины формирования «горячих пятен» (Te≥5000 K) [Koffman, 1984].В настоящей работе проведено изучение эффекта несовпадения полюсов в распределении электронной температуры в области F2 высокоширотной ионосферы в зимний период на основе подхода Эйлера. Исследование проведено с помощью трехмерной модели высокоширотной ионосферы в эйлеровых переменных, учитывающей ее тепловой режим. Учтено несовпадение географического и геомагнитного полюсов, которое обусловливает долготный эффект в распределении электронной концентрации [Колесник и др., 1983]. Представлены результаты расчетов пространственно-временного распределения электронной температуры на уровне области F2 для 05 и 17 UT, когда восточное и западное полушария оказываются на освещенной стороне. Расчеты выполнены для условий зимнего солнцестояния, минимума солнечной активности и для умеренной геомагнитной активности.
Голиков И.А., Гололобов А.Ю., Попов В.И. Численное моделирование теплового режима высокоширотной ионосферы // Вестник Северо-Восточного федерального университета. 2012. Т. 9, № 3. С. 22-28.Banks P.N., Kockarts G. Aeronomy. Part A, B. New York: Academic Press, 1973. 785 p.Гололобов А.Ю., Голиков И.А., Попов В.И. Моделирование высокоширотной ионосферы с учетом несовпадения географического и геомагнитного полюсов // Вестник Северо-Восточного федерального университета. 2014. Т. 11, № 2. С. 46-54.Bilitza D. Altadill D., Zhang Y., C. Mertens, V. Truhlik, P. Richards, L.-A. McKinnell, B. Reinisch. The International Reference Ionosphere 2012 - a model of international collaboration. J. Space Weather Space Clim., 2014, vol. A07, pp. 1. DOI: 10.1051/swsc/2014004.Клименко В.В., Кореньков Ю.Н., Намгаладзе А.А. и др. Численное моделирование «горячих пятен» в ионос-фере Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, № 3. С. 554-557.Chapman S. The absorption and dissociative of ionizing effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotation Earth. Proc. Phys. Soc. 1931, vol. 43, no. 5, pp. 483-501. DOI: 10.1088/0959-5309/43/5/302.Колесник А.Г., Голиков И.А. Механизм формирования главного ионосферного провала области F // Геомагнетизм и аэрономия. 1983. Т. 23, № 4. С. 909-914.David M., Schunk R.W., Sojka J.J. The effect of downward electron heat flow and electron cooling processes in the high-latitude ionosphere. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, no. 16, pp. 2399-2409. DOI: 10.1016/j.jastp.2011.Колесник А.Г., Голиков И.А., Чернышев В.И. Математические модели ионосферы. Томск: МГП «Раско», 1993. 240 с.Fang X., Randall C., Lummerzheim D., S.C. Solomon, M.J. Mills, D.R. Marsh, C.H. Jackman, Wenbin Wang, Gang Lu. Electron impact ionization: A new parameterization for 100 eV to 1 MeV electrons. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, pp. A09311. DOI: 10.1029/2008JA013384.Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 189 с.Golikov I.A., Gololobov A.Ju., Popov V.I. Numerical modeling of thermal conditions of the high-latitude iono-sphere. Vestnik Severo-Vostochnogo federal´nogo universiteta [Bull. of the North-Eastern Federal University]. 2012, vol. 9, no. 3, pp. 22-28. (In Russian).Мингалев Г.И., Мингалева В.С. Проявление эффекта повышения электронной температуры в главном ионосферном провале за счет внутренних процессов в разные сезоны // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 31, № 2. С. 83-87.Gololobov A.Ju., Golikov I.A., Popov V.I. Modeling the high-latitude ionosphere adjusted for mismatch be-tween geographic and geomagnetic poles Vestnik Severo-Vostochnogo federal´nogo universiteta [Bull. of the North-Eastern Federal University]. 2014, vol. 11, no. 2, pp. 46-54. (In Russian).Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.Heppner J.P. Empirical model of high electric field. J. Geophys. Res. 1977, vol. 82, no. 7, pp. 1115-1125. DOI: 10.1029/JA082i007p01115.Banks P.N., Kockarts G. Aeronomy. Part A, B. New York: Academic Press, 1973. 785 p.Klimenko V.V., Koren´kov Ju.N., Namgaladze A.A., Karpov I.V., Surotkin V.A., Naumova N.M. Numerical modeling of “hot spots” in Earth’s magnetosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1991, vol. 31, no. 3, pp. 554-557. (In Russian).Bilitza D. Altadill D., Zhang Y., et al. The International Reference Ionosphere 2012 - a model of international collaboration // J. Space Weather Space Clim. 2014. V. A07. P. 1. DOI:10.1051/swsc/2014004.Koffman W., Wickwar V.B. Very high electron tempera-ture in the daytime F region at Sondrestrom. Geophys. Res. Lett. 1984, vol. 1, no. 9, pp. 912-922. DOI: 10.1029/ GL011i009p00919.Chapman S. The absorption and dissociative of ionizing effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotation Earth // Proc. Phys. Soc. 1931. V. 43, N 5. P. 483-501. DOI: 10.1088/0959-5309/43/5/302.Kolesnik A.G., Golikov I.A. Mechanism of formation of the main ionospheric trough in F region. Geomag-netizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1983, vol. 23, no. 4, pp. 909-914. (In Russian).David M., Schunk R.W., Sojka J.J. The effect of downward electron heat flow and electron cooling processes in the high-latitude ionosphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73, N. 16. P. 2399-2409. DOI:10.1016/j.jastp.2011.Kolesnik A.G., Golikov I.A., Chernyshev V.I. Mathematical Models of the Ionosphere. Tomsk: Rasko Publ., 1993. 240 p. (In Russian).Fang X., Randall C., Lummerzheim D., et al. Electron impact ionization: A new parameterization for 100 eV to 1 MeV electrons // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, A09311. DOI: 10.1029/2008JA013384.Krinberg I.A., Tashhilin A.V. Ionosphere and Plasma-sphere. Moscow: Nauka Publ., 1984. 189 p. (In Russian).Heppner J.P. Empirical model of high electric field // J. Geophys. Res. 1977. V. 82, N 7. P. 1115-1125. DOI: 10.1029/JA082i007p01115.Mingalev G.I., Mingaleva V.S. Effect of electron temperature increase in the main ionospheric trough due to internal processes in different seasons Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1992, vol. 31, no. 2, pp. 83-87.Koffman W., Wickwar V.B. Very high electron temperature in the daytime F region at Sondrestrom // Geophys. Res. Lett. 1984. V. 1, N 9. P. 912-922. DOI: 10.1029/GL011i009p00919.Mingalev G.I., Mingaleva V.S. Simulation of the spatial structure of the high-latitude F-region for different conditions of solar illumination of the ionosphere. Proc. XXV Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”. Apatity, 2002, pp. 107-110.Mingalev G.I., Mingaleva V.S. Simulation of the spatial structure of the high-latitude F-region for different conditions of solar illumination of the ionosphere // Proc. XXV Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”. Apatity, 2002. P. 107-110.Perkins F.W., Roble R.G. Ionospheric heating by radio waves: prediction for Arecibo and the satellite power station. J. Geophys. Res. 1978, vol. 83, no. 4, pp. 1611-1624.Perkins F.W., Roble R.G. Ionospheric heating by radio waves: prediction for Arecibo and the satellite power station // J. Geophys. Res. 1978. V. 83, N 4. P. 1611-1624.Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, pp. 1501-1516.Picone J. M., Hedin A. E., Drob D. P., Aikin A. C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1501-1516.Samarsky A.A. The theory of difference schemes. Moscow: Nauka Publ., 1977. 656 p. (In Russian).Schunk R.W., Nagy A.F. Electron temperature in the F-regions of the ionosphere: theory and observations // Rev. Geophys. Space Phys. 1978. V. 16, N 3. P. 355-399.Schunk R.W., Nagy A.F. Electron temperature in the F-regions of the ionosphere: theory and observations. Rev. Geophys. Space Phys. 1978, vol. 16, no. 3, pp. 355-399.Schunk R.W., Sojka J.J., Bowline M.D. Theoretical study of the electron temperature in the high-latitude ionosphere for solar maximum and winter conditions // J. Geoph. Res. 1986. V. 91, N A11. P. 12041-12054.Schunk R.W., Sojka J.J., Bowline M.D. Theoretical study of the electron temperature in the high-latitude ionosphere for solar maximum and winter conditions. J. Geophys. Res. 1986, vol. 91, no. A11, pp. 12041-12054.Stubbe P. Simultaneous solution of the time dependent coupled continuity equations, heat conduction equations, and equations of motion for a system consisting of a neutral gas, an electron gas, and a four component ion gas // J. Atmos. Terr. Phys. 1970. V. 32, N 9. P. 865-903.Stubbe P. Simultaneous solution of the time dependent coupled continuity equations, heat conduction equations, and equations of motion for a system consisting of a neutral gas, an electron gas, and a four component ion gas. J. Atmos. Terr. Phys. 1970, vol. 32, no. 9, pp. 865-903.Truhlik V., Bilitza D., Triskova L. A new global empirical model of the electron temperature with the inclusion of the solar activity variations for IRI // Earth Planet and Space. 2012. V. 64. P. 531-543.Truhlik V., Bilitza D., Triskova L. A new global empirical model of the electron temperature with the inclusion of the solar activity variations for IRI. Earth, Planets and Space. 2012, vol. 64, pp. 531-543.Vorobjev V.G., Yagodkina O.I., Katkalov Yu.V. Auroral Precipitation Model and its applications to ionospheric and magnetospheric studies // J. Atmos. Solar-Terr. Physics. 2013. V. 102. P. 157-171.Vorobjev V.G., Yagodkina O.I., Katkalov Yu.V. Auroral precipitation model and its applications to ionospheric and magnetospheric studies. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013, vol. 102, pp. 157-171.Xiong C., Luhr H., Ma S.Y. The subauroral electron density trough: Comparison between satellite observations and IRI-2007 model estimates // Adv. Space Res. 2013. V. 51. P. 536-544.Xiong C., Luhr H., Ma S.Y. The subauroral electron density trough: Comparison between satellite observations and IRI-2007 model estimates. Adv. Space Res. 2013, vol. 51, pp. 536-544.