Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 1, стр. 60-65

1. ВВЕДЕНИЕ

Поляризационные джеты (ПД), или быстрые западные дрейфы ионосферной плазмы, на субавроральных широтах известны давно и активно изучались наземными и спутниковыми методами многими исследователями (см., например, [Гальперин и др., 1990; He et al., 2014; Степанов и др., 2017] и ссылки в них). В работе [Степанов и др., 2019б] по наземным ионозондовым измерениям скоростей дрейфа ионосферной плазмы было показано, что при развитии поляризационного джета над станцией наблюдения значения пиков вертикальных скоростей дрейфа относительно горизонтальных пиков могут не совпадать по времени и направлению, создавая различные ситуации их взаиморасположения. Было отмечено, что события ПД подразделены на 4 ситуации: 1) когда пики компонент скорости дрейфа совпадают по времени; 2) когда пик вертикальной компоненты скорости наблюдается до пика горизонтальной скорости; 3) когда пик вертикальной компоненты скорости наблюдается после пика горизонтальной скорости и 4) когда наблюдаются два пика вертикальных компонент скорости, до и после пика горизонтальной компоненты.

Целью данной работы является рассмотрение ионосферных параметров слоя F 2 при развитии полосы поляризационного джета по наземным измерениям и проведение численных расчетов на модели высокоширотной ионосферы при различных ситуациях в чередовании компонент скоростей дрейфов ионосферной плазмы.

2. АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Сначала рассмотрим влияние вертикальных и горизонтальных компонент скорости дрейфа поляризационного джета на распределение концентрации электронов в максимуме F 2-слоя и его высоты на субавроральных широтах. Для расчетов используется математическая модель высокоширотной ионосферы в переменных Эйлера, которая учитывает расхождение между географическим и геомагнитным полюсами [Гололобов и др., 2014; Голиков и др., 2016].

Расчеты проведены для условий весеннего равноденствия и при средней солнечной и умеренной геомагнитной активности, F 10.7 = 150 × × 10^–22 Вт/м² Гц и Kp ≤ 3 соответственно. Поляризационный джет задавался как направленное к северу электрическое поле с напряженностью E = = 50 мВ/м в интервале местного времени от 12 до 24 ч. Такое поле на высотах максимума ионосферы соответствует направленной на запад горизонтальной компоненте скорости, равной Vгор = = 1000 м/c. Вертикальная компонента скорости дрейфа (Vвер) в полосе ПД составляла 100 м/с. Ширина полосы ПД принята равной 4° сразу за экваториальной границей области магнитосферной конвекции. Электрические поля (или компоненты скоростей дрейфа) включаются в примерном соответствии с экспериментальными результатами, приведенными в публикации [Степанов и др., 2019б].

Отметим, что в тексте статьи обозначения ионосферных параметров N_eF 2 и h_mF 2 относятся к численным расчетам, а foF 2, h'F 2 и hmaxF 2 – к экспериментальным измерениям.

Рисунок 1 иллюстрирует начальные и конечные результаты численных расчетов для интервала 16:00–20:00 ч местного времени. Четыре верхние панели (а, б, в, г) показывают задаваемые для расчетов начальные значения и интервал времени для горизонтальных (Vгор) и вертикальных (Vвер) компонент скорости дрейфа ионосферной плазмы. Значения компонент скоростей дрейфа Vвер и Vгор для всех четырех случаев одинаковы и составляют 100 и 1000 м/с (оси ординат для них, соответственно, расположены слева и справа от графиков). По оси абсцисс отложено время включения и выключения скоростей: а – одновременное включение/выключение обеих компонент скоростей; б – включение Vвер на 1.5 ч раньше, чем включение Vгор; в – включение Vвер на 1.5 ч позже, чем включение Vгор; и г – двухпиковое включение Vвер, до и после максимумов Vгор (см. Степанов и др. [2019a]).

Рис. 1.

(а, б, в, г) – задаваемые значения горизонтальных и вертикальных компонент скоростей поляризационного джета; (а', б', в', г') – cуточные значения плотности электронов N_eF2 в максимуме слоя F 2 (жирные кривые – даны в МГц) и высоты максимума слоя h_mF2 (тонкие кривые). Толстые штриховые линии – значения плотности электронов без включения скоростей.

Нижние панели (а', б ', в', г') представляют, соответственно, расчетные вариации суточных параметров F 2-слоя после вычислений на модели высокоширотной ионосферы; толстые кривые означают вариации плотности электронов слоя F 2, а тонкие – вариации высоты максимума слоя. Здесь, для удобства сопоставлений с наземными измерениями, плотность электронов N_eF2 пересчитана в критические частоты foF2 по формуле N_e = 1.24 × 10⁴ (f_раб)² см^–3, где f_раб дано в МГц [Руководство …, 1977]. Вертикальными штриховыми линиями здесь отмечены интервалы включения и выключения электрических полей, продолжительность которых от 3 до 4.5 ч. Толстые штриховые кривые соответствуют условиям, когда не включены электрические поля, т.е. модель описывает спокойные условия в ионосфере. Отметим, что пики горизонтальных компонент скоростей при методе наложения эпох в работе [Степанов и др., 2019б] принимались за начало отсчета времени в ту или другую сторону (сплошные вертикальные линии).

Из пары (а–а') видим, что задаваемые горизонтальная и вертикальная компоненты скорости дрейфа плазмы достигают максимума своих значений одновременно (а); продолжительность включения обеих компонент –3 ч; и в этих условиях электронная плотность слоя начинает резко падать (через 15–30 мин после включения полей) с резким ростом высоты F 2-слоя до 360 км (начальная высота слоя 300 км).

Пара (б–б ') иллюстрирует случай, когда максимум вертикальной компоненты скорости опережает максимум горизонтальной скорости на 1.5 ч (б). Продолжительность включения полей – 4 ч. Из панели (б ') видно, что в первой половине интервала включения электрических полей плотность N_eF2 и высота максимума слоя h_m F 2 начинают одновременно резко подниматься, вызывая заметный рост плотности и высоты слоя F2. Это связано с тем, что с подъемом всего слоя F2 скорости рекомбинации ионов на высотах максимума понижаются, т. к. уменьшаются плотности О⁺ и N₂, что ведет, в свою очередь, к увеличению электронной концентрации. Затем N_eF2 начинает резко падать с включением Vгор, что связано с выносом электронной концентрации с ночной на дневную сторону.

Пара (в–в') показывает случай, когда максимум вертикальной компоненты скорости отстает от максимума горизонтальной на 1.5 ч (в). Продолжительность включения полей 4.75 ч. Из панели вычислений (в') видно, что почти сразу после включения горизонтальной компоненты скорости плотность слоя N_eF 2 начинает резко падать, а высота максимума слоя N_eF2 – резко подниматься. Здесь мы не видим повышения N_eF 2, а высота слоя поднялась до 410 км (прирост 110 км).

Пара (г–г') демонстрирует случай, когда вертикальная компонента скорости имеет два максимума, один из которых опережает максимум горизонтальной компоненты на 1 ч, другой отстает от него на 1 ч (г). Продолжительность включения полей – 4 ч. Из панели вычислений (г') видно, что в начале включения полей плотность N_eF 2 растет, а затем резко падает. Видно, что в этом случае рост плотности не так заметен как в случае (б–б '). Вариации высоты максимума слоя h_mF 2 имеют 2 горба, совпадающие с вариациями задаваемых вертикальных скоростей.

Теперь перейдем к наземным экспериментальным данным. Для анализа был выбран месяц март 1989 г. В этом месяце по данным ионосферной ст. Якутск было зарегистрировано 9 событий (дней) с поляризационным джетом. На f-графиках зарегистрированы резкие падения критических частот, а на ионограммах наблюдались характерные дополнительные следы и признаки F3s [Степанов и др., 2017].

На рисунке 2 приведены суточные вариации критических частот foF2 (светлые кружочки) и минимальных высот слоя F2 (черные кружочки) в конкретные дни, когда регистрировались признаки ПД на ионосферных данных ст. Якутск. На графиках шкала частот расположена с левой стороны, а шкала высот – с правой. По оси абсцисс отложено мировое время UT в часах. Разница с местным временем LT составляет 9 ч: UT = LT + 9 ч. До полуночи по местному времени данные обрабатывались через каждые 15 мин, после – через каждый час. Интервалы времени с условиями А (экранировка слоя F2 нижележащим слоем Е) и В (полное поглощение радиоволн) отмечены тонкими горизонтальными прямыми, а интервалы с признаками ПД на ионограммах станции – толстыми горизонтальными прямыми. Жирная кривая обозначает медианные значения критической частоты за март 1989 г.

Рис. 2.

Суточные изменения критических частот foF2 и минимальных высот h'F2 слоя F 2 при развитии ПД над ст. Якутск за конкретные дни.

Динамика событий ПД в реальной субавроральной ионосфере такова, что можно подобрать события, соответствующие результатам модельных вычислений, т.е. случаи, отвечающие различным вариациям взаиморасположения горизонтальных и вертикальных скоростей дрейфов (или компонент электрического поля) во время развития ПД. Отметим, что модельные расчеты не привязаны к конкретным экспериментальным измерениям, а рассматривают общую картину развития событий при определенных обстоятельствах.

Также отметим, что виртуальная высота максимума слоя hmaxF2 по ионограммам наземного радиозондирования рассчитывается как высота, соответствующая высоте на частоте (foF2 – 0.8 МГц) [Руководство …, 1977].

Из рисунка 2 видно, что во всех случаях с началом развития ПД начинает резко падать критическая частота foF2 (“срыв критической частоты” [Степанов и др., 2019а]) и подниматься минимальная высота слоя h'F2. Затемненные интервалы времени здесь отмечают виртуальные интервалы включения/выключения электрических полей из приведенных выше модельных расчетов. Суточные изменения параметров foF2 и h'F2 за 05.03.1989 г. наиболее близко соответствовали условиям, когда пики скоростей обеих компонент дрейфа ионосферной плазмы встречаются одновременно, т.е. модельным условиям и результатам пары (а–а') рис. 1. Следующий случай от 13.03.1989 г. (рис. 2б) имеет отношение к паре (б–б') рис. 1, когда максимум вертикальных скоростей опережает максимум горизонтальных скоростей на 1.5 ч. Здесь мы видим характерные повышения foF2 и N_eF2 перед их резкими падениями, т.е. рост плотности электронов за 0.5–2 ч перед срывом частоты. Также видим, что во время повышения критических частот повышается и виртуальная высота максимума слоя F2 по наземным данным (отмечена звездочками). На рисунке 2в представлен случай от 16.03.1989 г., подобный случаю пары (в–в') рис. 1. Здесь максимум вертикальных скоростей отстает от максимума горизонтальных скоростей на 1.5 ч. Видно, что совпадающими, кроме резких падений частот, являются относительно большие увеличения высот h'F2 по экспериментальным и h_mF2 по модельным значениям. Последний случай (15.03.1989 г.) мы относим к паре (г–г') рис. 1, когда вертикальная скорость имеет два максимума, один из которых опережает максимум горизонтальных скоростей на 1 ч, другой же отстает от него на 1 ч. Видим, как и в модельных расчетах, небольшие (относительно случая на рис. 1б') характерные повышения foF2 и N_eF2 перед их резкими падениями, т.е. небольшой рост плотности электронов за 0.5–1.5 ч перед срывом частоты. Особенно это заметно на фоне медианных значений за март 1989 г. Чередующиеся пики вертикальных скоростей, в результатах модельных расчетов сказавшиеся на двухпиковом росте h_mF2, в данных наземной станции не зафиксированы.

Анализ всех упомянутых выше событий ПД за март 1989 г. позволил заключить, что модельные расчеты показывают качественное согласие с экспериментальными результатами. В двух случаях резкое падение частоты встречается почти сразу после включения электрического поля (рис. 2а, 2в), а в двух остальных случаях резкое падение наблюдается после периодов кратковременного на 1.5–2 ч повышения критических частот слоя F2. В событии ПД от 13.03.1989 г. (рис. 2б) по наземным данным видим подъем высоты максимума слоя F2 (hmaxF2) и соответствующее повышение foF2. Такое развитие событий регистрируется и в случае от 15.03.1989 г. (рис. 2г), но в менее явно выраженных параметрах слоя F2. Возможным объяснением такого поведения является понижение скоростей рекомбинации ионов из-за повышения максимума слоя F2 и соответствующее их накопление на этих высотах. Другое объяснение такого повышения плотности электронов на высотах слоя F2 может заключаться в “сгонке ионизации”, или в неадиабатическом сжатии ионосферной плазмы, когда быстрый западный поток плазмы в полосе ПД сталкивается с менее быстрым потоком крупномасштабной конвекции. Следовательно, подъем N_eF2 или рост критических частот foF2 перед регистрацией ПД может являться вкладом двух независимых процессов в субавроральной ионосфере.

3. ВЫВОДЫ

В ходе сопоставления модельных и экспериментальных результатов по формированию и развитию поляризационного джета на субавроральных широтах получено следующее.

– Результаты расчетов с помощью высокоширотной модели показывают хорошее согласие с экспериментальными данными по регистрации ПД.

– Во всех четырех вариантах расчетов наличие вертикальных и горизонтальных скоростей в полосе ПД приводит к резким падениям критических частот (срывам) и подъему минимальных высот слоя F 2.

– В вариантах, когда вертикальная компонента скорости дрейфа задавалась одновременно (а) и после (в) горизонтальной скорости, повышений плотности NmaxF2 или увеличений foF2 не наблюдается.

– В вариантах (б и г) как по модельным расчетам, так и экспериментальным измерениям, наблюдаются сначала увеличения плотности слоя N_eF2 (или критической частоты foF2 по наземным данным) перед их резкими падениями, а также увеличения высот максимума слоя hmaxF2 во время первой половины интервала включения электрических полей.

– Возможным объяснением повышения критических частот слоя F2 или роста N_eF2 перед их резкими срывами является уменьшение скоростей рекомбинации ионов из-за увеличения высоты максимума слоя, что ведет к накоплению ионов на этих высотах.

– Другое объяснение такого повышения плотности на высотах слоя F2 может заключаться в “сгонке ионизации”, или в неадиабатическом сжатии ионосферной плазмы, когда быстрый западный поток плазмы в полосе ПД сталкивается с менее быстрым потоком крупномасштабной конвекции.

– Рост критической частоты слоя F 2 является дополнительным признаком развития ПД над станцией наблюдения.