Физика моделируемого объекта

О модели /

Моделируемым объектом выступает верхняя атмосфера Земли – верхняя часть ее газовой оболочки от высот 60-80 км до расстояний в несколько десятков земных радиусов.

Характерные высотные области верхней атмосферы

При рассмотрении процессов, происходящих в верхней атмосфере, ее можно условно разделить на нейтральную и заряженную. Нейтральную атмосферу делят на высотные области исходя из доминирующих в них процессов. Так, в зависимости от распределения температуры по высоте, нейтральную атмосферу делят на мезосферу (высоты 50-90 км), термосферу (90-1000 км). Существует также разделение по характеру движения на гомосферу (до 100-110 км), гетеросферу (100-800) и экзосферу (>2000 км). С заряженными частицами связано деление верхней атмосферы на ионосферу (70-1000 км), плазмосферу (1.2-4RE) и магнитосферу (4-100RE).

Физические процессы в нейтральной атмосфере

Общая масса нейтральных частиц в 1012 — 1013 раз превосходит общую массу заряженных частиц. До высот 50-60 км атмосфера почти полностью нейтральна, выше степень ионизации растет с высотой, но лишь на высотах около 1000 км концентрации нейтральных и заряженных частиц сравниваются. Очевидно, что от состава и динамики нейтральной атмосферы зависит поведение заряженных частиц.

Нейтральная атмосфера является поставщиком ионизируемых частиц, которые, поглощая солнечное излучение, определяют его интенсивность на более низких высотах. Обмен импульсами при столкновениях нейтральных частиц с заряженными определяет диффузию и ветровое увлечение последних. Кроме того, нейтральный газ выступает в роли охладителя электронного и ионного газов.

Кроме того, изучение и моделирование состояния нейтральной атмосферы имеет свое практическое применение. Так, например, вариации плотности термосферы определяют торможение и время жизни спутников, летающих на ионосферных высотах; проблема озона тесно связана с общей глобальной циркуляцией атмосферы, характер которой зависит от условий в мезосфере и нижней термосфере.

Ниже рассмотрим основные процессы, протекающие в нейтральной атмосфере и влияющие на ее состояние.

Химические реакции

  • Фотодиссоциация — распад молекул на атомы под действием фотонов. Скорость фотодиссоциации частиц сорта Alpha, то есть число актов фотодиссоциации в единице объема в единицу времени, определяется концентрацией частиц данного сорта, потоком фотонов с длиной волны Lambda на высоте z и сечением поглощения излучения с длиной волны Lambda частицами сорта Alpha.
  • Рекомбинация – процесс, в результате которого происходит повторное соединение атомов в молекулы.

Диффузия

Под диффузией понимается процесс относительного направленного движения частиц разного сорта. Диффузионные движения вызываются отклонениями высотного распределения концентраций частиц от диффузионно-равновесного и продолжаются, пока оно не установится.

  • Молекулярная диффузия – движение различных компонент нейтрального газа относительно среднемассового переноса. При диффузионном равновесии каждая компонента нейтрального газа распределена по барометрическому закону со своей собственной шкалой высот, зависящей от массы частицы. Характерное время переноса за счет молекулярной диффузии экспоненциально убывает с высотой, поэтому с увеличением высоты быстро возрастает роль диффузионных процессов по отношению к фотохимическим.
  • Турбулентная диффузия – перемешивание частиц, обусловленное флуктуациями скорости, подавляет молекулярную ниже турбопаузы (высота около 100 км над поверхностью Земли). Отличие турбулентной диффузии от молекулярной состоит в том, что при диффузионном равновесии компоненты нейтрального газа распределены с одинаковой для всех шкалой высот.

Ветры

Нейтральный газ растекается во все стороны от области высокого давления в дневном полушарии в ночное полушарие. Днем ветер дует преимущественно к полюсам, ночью – к экватору. В магнитно-возмущенных условиях возникает еще один источник движения нейтрального газа, связанный с высокоширотным разогревом термосферы за счет джоулева тепла авроральных токов и диссипации энергии высыпающихся из магнитосферы частиц.

Приливы

Атмосферными приливами называют движения атмосферы вверх, генерируемые разогревом стратосферы. Причиной этого разогрева выступает поглощение солнечного излучения озоном и парами воды. Приливы, выражающиеся в периодических (суточных и полусуточных) колебаниях давления, оказывают существенное влияние на состояние атмосферы на высотах до 110 км. Причем по данным наблюдений полусуточные колебания преобладают над суточными.

Акустико-гравитационные волны

Акустико-гравитационные волны (АГВ) представляют собой движения атмосферы с периодами от нескольких минут до 2-3 часов и горизонтальными длинами волн в несколько километров. Считается, что для таких волн не столь существенны эффекты сферичности Земли и силы Кориолиса. Акустико-гравитационные волны можно разделить на два следующих типа.

  • Акустические волны являются движениями атмосферы с чисто продольными колебаниями воздуха, распространяющимися с фазовой скоростью, не меньшей скорости звука.
  • Внутренние гравитационные волны (ВГВ) представляют собой низкочастотный предел звуковых волн и распространяются с дозвуковыми скоростями. У ВГВ, в отличие от акустических, существует поперечная составляющая, обусловленная действием силы тяжести.

Планетарные волны

Планетарными волнами называют движения атмосферы с периодами, превышающими одни солнечные сутки. С ними связаны наблюдаемые в атмосфере вариации с периодами 2, 5, 16, 18, 25-40 суток, а также сезонные и полугодовые.

Нагрев нейтрального газа

  • Нагрев солнечных излучением, при котором энергия излучения переходит в тепло нейтрального газа по различным каналам. Эффективность каналов различна в зависимости от гелио- и геофизических условий, что приводит и к разным результирующим эффективностям нагрева. Наиболее эффективно энергия ионизирующего излучения передается нейтральному газу в виде тепла в реакциях диссоциативной рекомбинации. Согласно расчетам, этот канал нагрева ионизирующим излучением преобладает на высотах 150-300 км, на меньших высотах с ним сравним или преобладает нагрев фотоэлектронами; выше 300 км преобладает упругий ион-нейтральный теплообмен; вблизи 300 км нагрев тепловыми электронами сравним по эффективности с другими каналами, но нигде не является преобладающим. Максимум скорости нагрева ионизирующим излучением приходится на высоты 130-170 км в зависимости от условий; на меньших высотах преобладает нагрев диссоциирующим излучением; на больших – ионизирующим.
  • Джоулев нагрев обусловлен работой сил трения движущихся под действием электрического поля ионов и электронов о нейтралы. Данный источник тепла берет свою энергию от магнитосферных и динамо-электрических полей и является для термосферы вторым по значимости после солнечного излучения.
  • Нагрев высыпающимися из магнитосферы частицами, часть энергий которых переходит в тепло нейтрального газа. Большая часть этой энергии частиц передается нейтральному газу по каналу диссоциативной рекомбинации ионов и электронов, образованных в результате ионизации высыпающимися частицами. Вклад нагрева высыпающимися частицами в тепловой баланс термосферы наиболее существенен в высокоширотных зонах высыпания энергичных частиц в периоды геомагнитных возмущений.

Охлаждение нейтрального газа за счет излучения

В атмосфере Земли основные потери тепла при излучении происходят за счет инфракрасного излучения CO2 на длине волны 15 мкм. Охлаждение за счет излучения NO в полосе 5,3 мкм доминирует, согласно ракетным измерениям, выше 100 км; в стратосфере важно также излучение озона 9,6 мкм. В верхней термосфере основным радиационным стоком тепла является излучение 63 мкм атомарного кислорода.

Физические процессы в ионосфере

Состояние ионосферы определяет условия распространения радиоволн и влияет на работу всевозможных радиосвязных, радиолокационных и радионавигационных систем, поэтому такое значение имеет изучение и прогнозирование изменений в распределении ионосферных параметров.

Фотохимические процессы

Процессы ионизации – образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

  • Фотоионизация, при которой ионизуемые частицы получают энергию ионизации от фотонов. Фотоионизация нейтральных компонент атмосферы крайним ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца является первопричиной существования ионосферы.
  • Оже-эффект — эффект автоионизации атома, протекающий в 2 этапа:
    • образование вакансии в одной из внутренних оболочек атома при его облучении (например, фотонами);
    • заполнение этой вакансии электроном одной из вышележащих оболочек этого же атома и одновременный вылет др.

электрона (оже-электрона) с этой или еще с более высоколежащей оболочки.

  • Вторичная ионизация, при которой фотоэлектроны, образовавшиеся при фотоионизации и имеющие энергию больше потенциала ионизации, а также электроны Оже могут ионизовать окружающие нейтральные частицы при столкновении с ними. Вторичные электроны, обладающие достаточной энергией, могут ионизовывать нейтральные частицы, создавая третичные электроны и т.д.
  • Двухкратная ионизация, при которой в результате поглощения фотона, обладающего достаточной энергией, из нейтральной частицы вырываются сразу два электрона наружной оболочки.
  • Ионизация излучением Солнца, рассеянным на ночную сторону самыми верхними слоями атмосферы и межпланетными частицами.
  • Ионизация высыпающимися из магнитосферы энергичными частицами.
  • Ионизация протонами, имеющими энергии от 0,2 до 60 кэВ.
  • Ионизация солнечными и галактическими космическими лучами, являющаяся основным источником ионизации на высотах 50-65 км. Космические лучи представляют собой заряженные частицы с энергиями, превышающими 1 ГэВ; солнечные лучи – протоны с энергиями от 10 до 100 МэВ.

Химические реакции

Под химическими реакциями подразумеваются процессы взаимодействия частиц различных или одинаковых сортов, в результате которых образуются частицы новых сортов.

  • Диссоциативная рекомбинация, являющаяся основным механизмом исчезновения электронов при реакциях с молекулярными ионами O2+, N2+, NO+: Этот механизм потерь электронов наиболее сильно проявляет себя в областях F1 и Е, где преобладают молекулярные ионы. Из-за малого содержания в ионосфере ионов N2+ больший вклад в процесс исчезновения электронов оказывают реакции с ионами O2+ и NO+.
  • Ионно-атомные и ионно-молекулярные реакции, последние из которых являются основным механизмом исчезновения атомарных ионов O+ и N+.

Процессы переноса

  • Амбиполярная диффузия – совместная диффузия противоположно заряженных частиц через нейтральный газ в направлении падения их концентрации. В отличие от диффузии нейтральных частиц ионы и электроны не могут диффундировать независимо друг от друга: в этом случае нарушалась бы квазинейтральность плазмы. Поэтому каждая пара ион-электрон двигаются относительно остального газа как одна частица с массой, равной средней массе иона и электрона. Их удерживает друг около друга внутреннее поляризационное поле амбиполярной диффузии, которое возникает при разделении ионов и электронов по высоте из-за различия в их массах.
  • Ветровое увлечение — процесс столкновения ионов с движущимся нейтральным газом, который в отсутствии инерции ионов мгновенно передает ионам составляющую своей скорости вдоль силовых линий магнитного поля. Ветер, дующий от экватора, гонит плазму по силовым линиям магнитного поля вниз, ветер от полюса – вверх.
  • Дрейф заряженных частиц в плазме — относительно медленное направленное перемещение ионов и электронов под действием различных сил, налагающихся на основное движение (вращение с циклотронной частотой под действием силы Лоренца). Причем любая неэлектрическая сила, направленная перпендикулярно магнитному полю, вызывает дрейф частиц, скорость которого зависит от знака заряда, то есть вызывает ток.
    • Электромагнитный дрейф возникает под действием электрического поля и направлен перпендикулярно магнитному и электрическому полям.
    • Градиентный дрейф возникает из-за неоднородности магнитного поля и направлен перпендикулярно магнитному полю и градиенту этого поля.

Процессы теплообмена

Источником тепловой энергии заряженных частиц являются фотоны солнечного ионизирующего излучения. Почти вся разница между их энергией и потенциалом ионизации уносится фотоэлектронами со средней начальной энергией 15 эВ. Потери энергии фотоэлектронов идут сначала при возбуждении электронных состояний нейтральных компонент, затем они связаны с колебательным и отчасти вращательным возбуждением молекул. И при энергиях меньше 2 эВ энергия теряется в кулоновских соударениях с тепловыми электронами, которые нагревают ионный газ.

  • Локальный нагрев – нагрев электронного газа на высотах нижней ионосферы, на которых можно пренебречь членом переноса в уравнении для сверхтепловых электронов.
  • Нелокальный нагрев – нагрев электронного газа, связанный с переносом фотоэлектронов в верхней ионосфере.
  • Нагрев высыпающимися из магнитосферы частицами подобен нагреву фотоэлектронами.
  • Джоулев нагрев является результатом работы сил трения ионов и электронов, движущихся под действием электрического поля, о нейтралы. При этом ионы греются в первую очередь, во вторую очередь – нейтралы.

Альвеновские волны

Всякие волны, подчиняющиеся законам магнитной гидродинамики и распространяющиеся в идеально проводящей, то есть полностью замагниченной жидкости, в широком смысле могут быть названы альвеновскими. Но, как оказалось, среди них можно выделить два типа волн:

  • магнитно–звуковые волны – продольные волны, распространяющиеся поперек силовых линий магнитного поля;
  • альвеновские волны в узком смысле – поперечные волны, распространяющиеся вдоль силовых линий магнитного поля без дисперсии. Частота альвеновских волн не превышает ионную циклотронную частоту (поэтому они являются низкочастотными), движение электронов и ионов в альвеновской волне происходит одинаково и плазма ведет себя как единая жидкость. Скорость альвеновских волн (т. е. альвеновская скорость) определяется напряженностью магнитного поля H, плотностью плазмы и направлена вдоль поля. Альвеновские волны они распространяются без искажения профиля, что обусловливает их значительную роль в космической плазме.

Взаимодействие атмосферных слоев

Все области верхней атмосферы не изолированы друг от друга, а взаимодействуют между собой посредством разнообразных физико-химических процессов, образуя сложную систему, подверженную внешним воздействиям, связанными с активными процессами на Солнце. Верхняя атмосфера через свою внешнюю часть — магнитосферу – взаимодействует с плазмой, истекающей из активных солнечных областей, с межпланетным магнитным полем, переносимым солнечным ветром. В результате этих воздействий она изменяет своё состояние, то есть физические характеристики. Эти изменения и называют возмущениями.

Возмущения верхней атмосферы, связанные с солнечной активностью, проявляются, например, как возмущения магнитного поля Земли (геомагнитные бури) и сопровождающие их полярные сияния. При этом повышается проводимость высокоширотной ионосферы и усиливаются электрические токи, текущие в зонах сияний и создающие, в свою очередь, вариации геомагнитного поля.

Важную роль играют вариации крупномасштабного электрического поля, генерируемого при взаимодействии солнечного ветра и межпланетного магнитного поля с магнитным полем Земли. Это электрическое поле передаётся из магнитосферы в ионосферу вдоль силовых линий геомагнитного поля, являющихся практически идеальными проводниками электрического тока, и наряду с вариациями проводимости способствует усилению ионосферных токов и соответствующих вариаций геомагнитного поля.

В результате столкновений заряженных и нейтральных частиц энергия токов переходит в энергию хаотического теплового движения сталкивающихся частиц (Джоулево тепло). Нейтральный газ нагревается неравномерно: в наибольшей степени нагреваются высокоширотные области, атмосферное давление в которых возрастает относительно соседних средне- и низкоширотных областей. Разность давлений между нагретыми и холодными областями приводит к возникновению возмущённых термосферных ветров, дующих от высоких широт к экватору. Помимо этого горизонтального движения имеется всплывание тёплого воздуха над высокими широтами и опускание его по мере охлаждения в низких широтах.

Результирующая глобальная термосферная циркуляция перераспределяет плотность и газовый состав термосферы, обогащая высокоширотные области тяжёлыми компонентами за счёт поступления их с низких высот. Изменения плотности и химического состава нейтральной атмосферы влияет на ионный состав и электронную концентрацию в ионосфере. Последние изменяются также за счёт дополнительной ионизации высыпающимися энергичными частицами и за счёт переноса плазмы под влиянием электрических полей и термосферных ветров.

Образуется замкнутая цепь ионосферно-термосферно-магнитосферного взаимодействия, которая упрощенно может быть представлена следующим образом. Геомагнитные возмущения создаются токами, зависящими от состояния ионосферы и электрического поля; состояние ионосферы зависит от плотности и химического состава нейтральной атмосферы; последние зависят от диссипирующих в атмосфере токов; электрическое поле также зависит от токов и движений нейтрального газа, оно зависит также от геомагнитного поля, которое, в свою очередь, зависит от токов. Таким образом, существует тесная взаимосвязь между поведением нейтральных и заряженных частиц в термосфере, ионосфере и магнитосфере.

Ионосферные возмущения

Под возмущениями ионосферы понимают отклонения ионосферных параметров от их суточной вариации во время спокойных условий. Длительность возмущений может варьироваться от нескольких минут до нескольких суток, а протяженность достигать тысяч километров. Крупномасштабные возмущения ионосферы связаны со вспышками на Солнце, резкими изменениями параметров солнечного ветра и ММП (межпланетного магнитного поля), геомагнитными возмущениями. Ниже приведены несколько типов ионосферных возмущений.

  • Внезапные ионосферные возмущения (ВИВ) характеризуются увеличением ионизации преимущественно в D и Е областях ионосферы из-за резкого возрастания солнечного излучения во время солнечных вспышек. ВИВ являются первой реакцией ионосферы на увеличение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.
  • Поглощение волн в полярной шапке является следствием вторжения в нижнюю ионосферу полярных шапок мягких космических лучей, выбрасываемых из Солнца во время мощных хромосферных вспышек. Этот тип возмущений развивается через несколько десятков минут или несколько часов после солнечного выброса энергии.
  • Авроральное поглощение радиоволн вызывается высыпаниями заряженных частиц из магнитосферы в нижнюю ионосферу и наблюдается в зоне полярных сияний во время магнитосферных бурь и суббурь. Сброс частиц из магнитосферы имеет место через сутки или несколько суток после произошедшего на Солнце события.
  • Возмущения области F2 развиваются глобально и характеризуются изменением критических частот и высот F2 – слоя. По тому, увеличиваются или уменьшаются критические частоты, различают положительные и отрицательные возмущения. Этот тип ионосферных возмущений связан с изменениями параметров нейтральной атмосферы (вследствие разогрева и генераций движений), которые в свою очередь вызываются возмущениями в магнитосфере.
  • Перемещающиеся ионосферные возмущения от высоких широт к низким характеризуются квазипериодическими изменениями таких параметров ионосферы, как критическая частота и высота F2 – слоя.
Реклама