Исследование электродинамических процессов в высокоширотных областях верхней атмосферы Земли

• Автор: Лукьянова, Рената Юрьевна
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 297 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Роль электродинамических процессов в верхней атмосфере

1.1 Основные процессы, определяющие пространственную и временную эволюцию крупномасштабных электрических полей и токов
1.1.1 Высокоширотные области как место взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и верхней атмосферой Земли
1.1.2 Источники данных о распределении продольных токов и электрических полей в ионосфере

1.1.2.1 Продольные токи

1.1.2.2 Конвекция плазмы

1.1.3 Эффекты асимметрии и сопряжения в распределении электродинамических

параметров противоположных полушарий

1.2 Глобальный отклик ионосферно-магнитосферной системы при экстремальных событиях космической погоды
1.3 Концепция сопряженности полушарий и развитие биполярных исследований
1.4 Решение задач электродинамики с учетом сопряженности полушарий
Глава 2. Моделирование крупномасштабного распределения электродинамических параметров в ионосфере Земли с учетом сопряженности полушарий
2.1 Введение
2.2 Постановка задачи
2.3 Продольные токи
2.4 Проводимость ионосферы
2.5 Реализация модели в виде программного средства (ЬС06)
2.6 Проблема совместимости распределений ПТ и проводимости
2.7 Картины конвекции, развивающиеся одновременно в двух полушариях
2.7.1 Равноденствие
2.7.2 Солнцестояние
2.7.3 Разность потенциалов поперек полярной шапки в северном июжном полушариях при различной ориентации ММП и сезоне года
2.8 Валидация модели ЬСОб и сравнение результатов с данньми радарных измерений..
2.8.1 Картины конвекции для отдельных промежутков времени по 8ирегВА1Ш и ЬСОб
2.8.2 Сравнение картин конвекции, рассчитанных по ЬСОб, со статистической моделью

ЗирегЭАИМ
2.9 Количественные характеристики дрейфа ионосферной плазмы по данным радара Е18САТ и модели ЬСОб
2.9.1 Измерения ЕКСАТ на широтах 78.5° и 75.3° СОМЬа!
2.9.2 Сопоставление модельных расчетов и радарных измерений
2.9.3 Электрическое поле в различные часы местного времени
2.10 Основные результаты главы
Глава 3. Пространственные и временные вариации электрического поля
3.1 Введение
3.2 Суточная (ИТ) вариация в высоких широтах и ее проявление в распределении электродинамических параметров
3.2.1 иТ-эффект в распределении ионосферной проводимости и его влияние на структуру эквипотенциал ей в полярных шапках
3.2.2 Влияние иТ-вариации проводимости на величину разности потенциалов поперек полярной шапки
3.2.3 Суточный ход АФ при коррекции модели продольных токов по иТ
3.2.4 Обсуждение результатов
3.3 Проникновение электрического поля высокоширотного источника в средние
широты
3.3.1 Среднеширотные электрические поля в различные сезоны года
3.3.2 Особенности проникновение электрического поля на средние широты при ненулевом Ву ММП в условиях солнцестояния
3.3.3 Обсуждение результатов
3.4 Квази-динамическая версия модели конвекции
3.4.1 Модификация модели ЬСОб для расчета траекторий конвекции
3.4.2 Расчет траекторий конвекции под действием меняющегося во времени ММП
3.4.3 Трассирование траектории дрейфа полярного пэтча
3.4.4 Обсуждение результатов
3.4.5 Основные выводы главы
Глава 4. Эффекты внутри- и ментолу тарной асимметрии, обусловленные параметрами ММП и солнечным зенитным углом
4.1 Введение
4.2 Асимметричные структуры продольных токов и конвекции, контролируемые

азимутальной компонентой ММП и сезоном
4.2.1 Основные составляющие систем продольных токов и конвекции в
высокоширотной ионосфере
4.2.2 Методика выделения отдельных элементов систем ПТ и конвекции
4.2.2.1 Разностные диаграммы для продольных токов
4.2.2.2 Разностные диаграммы для потенциала
4.2.2.3 Разностные диаграммы для потенциала по данным радаров SuperDARN
4.2.3 Оценка величины продольных токов и электрического потенциала полярной
шапки, связанных с By ММП
4.2.4 Обсуждение и интерпретация результатов
4.3 Эффекты сопряженности зимнего и летнего полушарий в продольных токах и
ионосферных электрических полях
4.3.1 Используемые данные, модели и методы
4.3.2 Особенности распределения ПТ в сезоны лето/зима
4.3.3 Элементы вихрей конвекции
4.3.4 Сезонный межполушарный продольный ток при ненулевом By ММП
4.3.5 Межполушарный продольный ток в солнцестояние при Ву=
4.3.6 Обсуждение и интерпретация результатов
4.4 Характеристики течения плазмы вблизи границы полярной шапки по данным
радарных наблюдений
4.4.1 Описание эксперимента радара EISCAT на Шпицбергене
4.4.2 Метод анализа
4.4.3 Статистическая зависимость меридиональной и зональной скоростей конвекции
от Bz и By компонент ММП
4.4.4 Зависимость зональной скорости конвекции от By ММП и смещения границы
полярной шапки в различные часы местного времени
4.4.5 Обсуждение и интерпретация результатов
4.5 Динамика границы полярной шапки (ГПШ) по данным изображений
аврорального овала со спутника IMAGE
4.5.1 Методы определения ГПШ
4.5.2 Массив данных за 2000-2002 гг
4.5.3 Оценка смещения ГПШ в зависимости от By и Bz ММП
4.5.4 Эволюция ГПШ в восстановительную фазу магнитной бури
4.5.5 Обсуждение результатов
4.6 Основные результаты главы

Краевая задача (2.2)-(2.7) решается итерационным методом, составньми частями которого являются регуляризация дифференциальных уравнений, разложения в ряды Фурье и прогонка для решения системы линейных алгебраических уравнений для коэффициентов Фурье. Подробное описание методики и алгоритмов решения, основанное на работах [Лукьянова и др., 1996, 1997; Уваров и Лукьянова, 1999; Лукьянова, 1999], дано в Приложении 1. В результате решения, в зависимости от распределения проводимости и ПТ в северной и южной полярных шапках и в области замкнутых силовых линий в рамках задачи (2.2)-(2.7) могут быть воспроизведены существенно различающиеся в северной и южной шапках распределения потенциала, которые, однако, не являтся независимыми друг от друга и совместно формируют распределение потенциала в области экваториальнее границы шапки. Задание на внешней границе ионосферы распределения продольных токов магнитосферного происхождения, которые возбуждают конвекцию в ионосфере, соответствует терминологии «магнитосфера - источник тока» (в отличие от подхода «магнитосфера - источник напряжения», при котором задается распределение электрического потенциала на границе полярной шапки).
Границы, отделяющие северную (граница в/) и южную (граница вг) области открытых силовых линий от области замкнутых линий должны располагаться в северном и южном полушариях на одинаковых коширотных кругах. При задании границ для расчетов распределения потенциала следует исходить из того, что внутри северной и южной полярных областей (от полюсов до границ 0 и 0i) распределения входных параметров (ПТ и проводимости), могут задаваться независимо, тогда как в среднеширотной области обоих полушарий распределение входных параметров одинаково. В практике расчетов систем конвекции при задании ПТ по модельным картам, полученным по спутниковым данным и описанным ниже в разделе 2.3, границы вi и 02 выбирались по экваториальной кромке авроральных высыпаний, рассчитанных по моделям проводимости [Hardy et al., 1987; Zhang and Paxton, 2008], т.е. приблизительно на 25-30° кошироты. Анализ северных и южных карт распределения ПТ [Papitashvili et al., 2002; Korth et al., 2010] показал, что «несимметричная», т.е. заметно различающаяся в противоположных полушариях, часть ПТ вполне попадает внутрь областей а-1 и 2. В этом случае границы в/ и 02 формально находятся экваториальнее обычного положения границы полярной шапки, которая рассматривается как граница, разделяющая области открытых и замкнутых силовых линий. Однако такое положение позволяет уменьшить количество широтных кругов, на которых пришлось бы задавать ПТ одинаковыми в обоих полушариях, поскольку они попадали бы в расчетную область а=3. Тестовые расчеты показали, выбор расположения границ 0/ и 02, позволяющий включить большую часть