Богомолова С. А., Ишанов С. В., Мациевский С. В., Савкин... поненты: математическое моделирование процессов в ионосфере земли. // Проблемы информа-

Богомолова С. А., Ишанов С. В., Мациевский С. В., Савкин Д. А. Метастабильные компоненты: математическое моделирование процессов в ионосфере земли. // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: Сб. статей XIII Междунар. научно-техн.
конф. – Пенза: ПДЗ, 2013. – С. 63-65.
МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ1
М. С. Богомолова, С. В. Ишанов, С. В. Мациевский, Д. А. Савкин
Балтийский федеральный университет им. И. Канта,
Калининград, Россия
[email protected]
Решалась модельная задача возмущения ионосферы мощной солнечной вспышкой.
A model problem of ionospheric disturbance by powerful solar flare was solved.
Фундаментальное свойство плазмы – наличие в ней возбужденных частиц. Запас внутренней энергии и большое сечение взаимодействия дают этим частицам
играть заметную роль в кинетике микропроцессов ионосферной плазмы, приводя
к возбуждению атмосферных эмиссий, увеличению скоростей некоторых важных
аэрономических реакций.
Интересно распределение в атмосфере колебательно-возбужденного азота в
основном электронном состоянии. Известно, что процессы с его участием могут
оказывать важное влияние как на электронную концентрацию, так и на температуру ионосферной плазмы. Движение тепловой ионосферной плазмы вдоль магнитного поля определяется процессами амбиполярной диффузии и переноса под
действием нейтрального ветра. Математическая модель основана на численном
решении системы уравнений гидродинамики частично ионизированной плазмы
для ионов и электронов. Магнитогидродинамическое описание ионосферной
плазмы наиболее естественно осуществляется в системе координат, связанной с
геомагнитным полем. Выбором дипольной системы координат сведем физическую задачу трехмерного движения плазмы к двумерной математической задаче в
переменных s (координата вдоль силовой линии) и t (время). Используется система уравнений непрерывности, импульса и теплового баланса для заряженных
компонентов.
Все химические реакции, определяющие кинетику ионов, а также образующихся в результате их взаимодействия с нейтральными компонентами молекулярных ионов, представлены в работах [2 – 4]. Учет взаимодействия плазмы с горизонтальным термосферным ветром на ионосферных высотах проводится так же,
как в работе [1]. Члены, входящие в уравнения теплового баланса, которые учитывают упругие и неупругие процессы обмена энергией между заряженными чаРабота выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проектам № 11-01-00558а, № 11-00100098а.
1
стицами и нейтральными составляющими, взяты из работы [2]. Для расчета члена,
учитывающего силу тяжести, согласно работе [5], решалось кинетическое уравнение для сверхтепловых электронов.
Уравнения дополняются нижними и верхними граничными условиями. Нижние граничные условия получаются из предположения фотохимического равновесия, верхние – из условия равенства нулю потока частиц.
Итак, численное решение системы уравнений модели осуществлялось вдоль
геомагнитной силовой линии с применением метода конечных разностей. Линеаризация разностных уравнений проводилась с использованием значений неизвестных функций, взятых с предыдущего временного слоя, с последующими итерациями по нелинейности и связанности уравнений.
Решалась модельная задача возмущения ионосферы мощной солнечной
вспышкой. В качестве основных источников N (2 ) приняты: гашение метастабильного кислорода в состоянии 1D на молекулярном азоте, столкновение с тепловыми
электронами и реакция атомного азота с окисью азота. Необходимо отметить, что
на высотах порядка 200 км начинает играть роль молекулярная диффузия для
N (2 ) . Время релаксации к фоновым значениям – порядка 10 мин.
Исследовано влияние колебательно-возбужденного азота на параметры электронной концентрации Ne и высоты максимума hm области F2 ионосферной плазмы для спокойных и возмущенных условий. Показано, что колебательновозбужденный молекулярный азот существенно влияет на рекомбинацию ионосферной плазмы для таких условий. Рассмотрены различные химические реакции,
приводящие к образованию и гашению возбужденных компонент. Результаты решения подтверждают численную устойчивость построенной модели по входным
данным. Они могут быть использованы для интерпретации существующих экспериментальных данных как по концентрации, так и по интенсивности их свечения.
Результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:
1. Основной источник колебательно-возбужденных молекул азота в F-области
– тепловые электроны.
2. Учет колебательного возбуждения молекул азота приводит к достаточно заметным вариациям параметров плазмы. Например, при потоке солнечного радиоизлучения F10.7 = 200 летом в полуденное время концентрация максимума Nm F2слоя уменьшается в 1,6 раза.
3. Необходимо учитывать ангармонизм молекул колебательно-возбужденного
азота для оценки его влияния на рекомбинацию области F2.
Библиографический список
1. Латышев К. С., Зинин Л. В., Ишанов С. А. Математическое моделирование
околоземной космической плазмы // Энциклопедия низкотемпературной плазмы.
2008. Т. 7-1, Ч. 3. С. 337–349.
2. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988.
3. Sheehan C. H., St.-Maurice J. Dissociative recombination of N 2 , O 2 , and NO //
J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, No. A3. P. A03302.
4. Barakat A. R., Schunk R. W., Moore T. E., Waite J. H. Ion escape fluxes from the
terrestrial high-latitude ionosphere // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92, No. 11.
P. 12255–12266.
5. Кринберг Н. А., Тащилин А. В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984.
6. Hedin A. E., Salah J. E., Evans J. V. et al. A global thermospheric model based on
mass spectrometer and incoherent scatter data. MSIS 1 density and temperature //
J. Geophys. Res. 1974. Vol. 79, No. 25. P. 3807–3818.