Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-96402265910.12737/szf-51201909Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийInvestigating seasonal features of electron temperature enhancement regions in the subauroral ionosphereИсследование сезонных особенностей формирования областей повышения электронной температуры в субавроральной ионосфереhttps://orcid.org/0000-0003-2184-8089ГололобовАртем ЮрьевичGololobovArtem Yuryevichgolart87@gmail.com
Институт 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 Federation518289https://zh-szf.ru/en/nauka/article/22659/view
Известно, что в области главного ионосферного провала (ГИП) наблюдается повышение температуры электронов Te в периоды геомагнитных возмущений. В настоящей работе проведено исследование особенностей формирования областей повышения электронной температуры в субавроральной ионосфере на основе сопоставления результатов численного моделирования и измерений концентрации электронов ne и Те на ИСЗ CHAMP в условиях умеренной геомагнитной активности. Показано, что в зависимости от положения терминатора и мирового времени UT конфигурации областей повышения Те в субавроральной ионосфере в разные сезоны существенно различаются. Так, в зимний период возможны формирования кольцеообразной и серпообразной областей, а в равноденственный и летний периоды — в основном серпообразной различной длины и четкости.
The electron temperature enhancement is known to occur in the main ionospheric trough during geomagnetic disturbances. In this paper, we study fea-tures of the formation of the electron temperature (Te) enhancement in the subauroral ionosphere by comparing results of the numerical simulation with measurements of Te onboard the CHAMP satellite under moderate geomagnetic activity conditions. It is shown that depending on the terminator position and universal time (UT), the location of the enhanced Te regions in the subauroral ionosphere varies in different seasons. So, in winter ring-shaped and sickle-shaped regions can be formed, whereas during the equinox and summer periods sickle-shaped regions of different lengths and clarity are generally observed.
субавроральная ионосферачисленная модельповышение электронной температурысезонные особенностикольцевой токкольцеобразная и серпообразная областиИСЗ CHAMPsubauroral ionospherenumerical modelelectron temperature enhancementseasonal featuresring currentring-shaped and sickle-shaped regionsCHAMP
ВВЕДЕНИЕВ работах [Brace et al., 1982; Kofman, 1984; Prölls, 2006] по экспериментальным данным были обнаружены эффекты повышения температуры электронов в субавроральной ионосфере. В работе [Prölls, 2006] по данным спутника DE-2 исследовано повышение температуры электронов Te в субавроральной ионосфере. Установлено, что область повышения Te пространственно совпадает с положением главного ионосферного провала (ГИП). Численному моделированию теплового режима высокоширотной ионосферы, включая субавроральную, посвящен ряд работ [Клименко и др., 1991; Мингалева, Мингалев, 1992; David et al., 2011; Mingaleva, Mingalev, 1996; Prölls, 2006; Schunk et al., 1986], в которых изучены причины формирования областей с повышенными температурами. Показано, что повышения Te связаны с нисходящими потоками тепла, электрическими полями и пониженными значениями концентрации электронов ne в области ГИП. В [Бюхнер и др., 1983; Крымский, 1990; Cole, 1965; Prölls, 2006] сделано предположение, что возможной причиной повышения Te в субавроральной ионосфере может быть кольцевой ток, который возрастает в периоды возмущений. Тепло, генерируемое частицами кольцевого тока на высотах нескольких радиусов Земли, за счет высокой теплопроводности электронного газа может передаваться вниз вдоль силовых линий геомагнитного поля на высоты F-слоя ионосферы, приводя к повышению Te.Целью настоящей работы является исследование особенностей формирования областей повышения Te в субавроральной ионосфере в разные сезоны с помощью численной модели высокоширотной ионосферы и данных ИСЗ CHAMP.
Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.Brace L.H., Theis R.F., Hoegy W.R. A global view of F region electron density and temperature at solar maximum. Geophys. Res. Lett. 1982, vol. 9, no. 9, pp. 989-992. DOI: 10.1029/GL009i009p00989.Бюхнер Й., Леман Х.Р. О возможном механизме магнитосферного происхождения температурного пика в главном ионосферном провале // Physical Processes in Main Ionospheric Trough Region. Praha: Geofyz. Ustav CSAV, 1983. 203 c.Bryunelli B.E., Namgaladze A.A. Physics of the Ionosphere. Moscow, Nauka Publ., 1988, 528 p. (In Russian).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.Büchner J., Lehmann H.-R. On possible mechanism of magnetospheric origin of temperature peak in the main ionospheric trough. Physical Processes in Main Ionospheric Trough Region. Praha: Geofyz. Ustav CSAV, 1983, 203 p. (In Russian).Голиков И.А., Гололобов А.Ю., Попов В.И. Моделирование распределения температуры электронов в области F2 высокоширотной ионосферы для условий зимнего солнцестояния // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2, № 4. С. 54-61. DOI: 10.12737/19424.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.Клименко В.В., Кореньков Ю.Н., Намгаладзе А.А. и др. Численное моделирование «горячих пятен» в ионосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, № 3. С. 554-557.Cole K.D. Stable auroral red arcs, sinks for energy of Dst main phase. J. Geophys. Res. 1965, vol. 70, no. 7, pp. 1689-1709. DOI: 10.1029/JZ070i007p01689.Крымский П.Ф. Азимутальные токи и нагрев плазмы вблизи плазмопаузы в периоды возмущений // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30, № 5. С.747-752.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.Мингалева Г.И., Мингалев В.С. Проявления эффекта повышения электронной температуры в главном ионосферном провале за счет внутренних процессов в разные сезоны // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32, № 2. С.83-87.Fang X., Randall C., Lummerzheim D., Solomon S.C., Electron impact ionization: A new parameterization for 100 eV to 1 MeV electrons. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A09311. DOI: 10.1029/2008JA013384.Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.Golikov I.A., Gololobov A.Yu., Popov V.I. Numerical simulation of thermal conditions of the high-latitude ionosphere. Vestnik Severo-Vostochnogo federal’nogo universiteta [Vestnik of North-Eastern Federal University]. 2012, vol. 9, no. 3, pp. 22-28. (In Russian).Brace L.H., Theis R.F., Hoegy W.R. A global view of F region electron density and temperature at solar maximum // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9, N 9. P. 989-992. DOI: 10.1029/ GL009i009p00989.Golikov I.A., Gololobov A.Yu., Popov V.I. Modeling the electron temperature distribution in F2 region of high-latitude ionosphere for winter solstice conditions. Solar-Terr. Phys. 2016, vol. 2, no. 4, pp. 70-80. DOI: 10.1029/GL009i009p00989.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.Heppner J.P. Empirical model of high electric field. J. Geophys. Res. 1977, vol. 82, no. 7, pp. 1115-1125. DOI: 10.1029/ JA082i007p01115.Cole K.D. Stable auroral red arcs, sinks for energy of Dst main phase // J. Geophys. Res. 1965. V. 70, N 7. P. 1689-1709. DOI: 10.1029/JZ070i007p01689.Klimenko V.V., Koren’kov Yu.N., Namgaladze A.A., Karpov I.V., Surotkin V.A., Naumova N.M. Numerical simulation of “hot spots” in the Earth’s ionosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy] 1991, vol. 31, no. 3, pp. 554-557. (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.Krymsky P.F. Azimuth currents and plasma heating in the vicinity of the plasmapause during disturbances. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1990, vol. 30, no. 5, pp. 747-752. (In Russian).Fang X., Randall C., Lummerzheim D., Solomon S.C. Electron impact ionization: A new parameterization for 100 eV to 1 MeV electrons // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. A09311. DOI: 10.1029/2008JA013384.Kofman W. Very high electron temperature in the daytime F region at Sondrestrom. Geophys. Res. Lett. 1984, vol. 1, no. 9, pp. 912-922. DOI: 10.1029/GL011i009p00919.Heppner J.P. Empirical model of high electric field // J. Geophys. Res. 1977. V. 82, N 7. P. 1115-1125. DOI: 10.1029/JA 082i007p01115.Mingaleva G.I., Mingalev V.S. Manifestations of the 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. 32, no. 2, pp. 83-87. (In Russian).Kofman W. 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.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, vol. 15, no. 8, pp. 816-825. DOI: 10.1007/s00585-996-0816-x.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. 15, N. 8. P. 816-825. DOI: 10.1007/s00585-996-0816-x.Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., et al. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, pp. 1501-1516. DOI: 10.1029/2002JA009430.Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., et al. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1501-1516. DOI: 10.1029/2002JA009430.Prölls G.W. Subauroral electron temperature enhancement in the nighttime ionosphere. Ann. Geophys. 2006, vol. 25, no. 24, pp. 1871-1885.Prölls G.W. Subauroral electron temperature enhancement in the nighttime ionosphere // Ann. Geophys. 2006. V. 25, N 24. P. 1871-1885.Reigber C., Lühr H., Schwintzer P. CHAMP mission status. Adv. Space Res. 2002, vol. 30, pp. 129-134. DOI: 10.1016/S02 73-1177(02)00276-4.Reigber C., Lühr H., Schwintzer P. CHAMP mission status // Adv. Space Res. 2002. V. 30. P. 129-134. DOI: 10.1016/ S0273-1177(02)00276-4.Samarsky A.A. The theory of difference scheme. 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. DOI: 10.1029/ RG016i003p00355.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. DOI: 10.1029/RG 016i003p00355.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. V. 91, N 11. P. 12041-12054. DOI: 10.1029/JA091iA11p12041.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. 11, pp. 12041-12054. DOI: 10.1029/JA091iA11p12041.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. V. 102. P. 157-171. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.05.007.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. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.05.007.Xiong C., Lühr H., Ma S.Y. The subauroral electron density trough: Comparison between satellite observations and IRI-2007 model estimates // Adv. Space Res. 2013. V. 51, N 4. P. 536-544. DOI: 10.1016/j.asr.2011.09.021.Xiong C., Lühr H., Ma S.Y. The subauroral electron density trough: Comparison between satellite observations and IRI-2007 model estimates. Adv. Space Res. 2013, vol. 51, no. 4, pp. 536-544. DOI: 10.1016/j.asr.2011.09.021.URL: http://isdc-old.gfz-potsdam.de (дата обращения 8 августа 2018).URL: http://isdc-old.gfz-potsdam.de (accessed 8 August 2018