Эмпирические модели верхней атмосферы

Главная / Ключевые понятия /

Эмпирические (или статистические) модели, получаемые путем усреднения большого количества наблюдений, представляют собой таблицы предварительно обработанных данных наблюдений или формулы, аппроксимирующие данные измерений. Такой вид моделей может описывать поведение только тех параметров и в тех областях, для которых есть достаточное количество результатов наблюдений. Кроме того, из-за усреднения такие модели не могут воспроизводить распределения параметров, соответствующие каким-либо нестандартным условиям, например, конкретному геомагнитному возмущению. Ниже приведено краткое описание наиболее известных и часто используемых эмпирических моделей верхней атмосферы.

Эмпирические модели атмосферы

Эмпирические модели состава и температуры термосферы

Наиболее часто для расчетов параметров термосферы используются эмпирические модели MSIS (Mass-Spectrometer-Incoherent-Scatter, http://uap-www.nrl.navy.mil/models_web/msis/msis_home.htm). На настоящий момент последней версией модели является NRLMSISE-00, разработанная коллективом авторов (Mike Picone, Alan Hedin и Doug Drob) на основе модели MSISE90. NRLMSISE-00 использует ракетные, спутниковые измерения и данные радаров некогерентного рассеяния. Модель рассчитывает концентрации He, O, N2, O2, Ar, H, N, общую массовую плотность, нейтральную температуру на высотах от поверхности Земли до 1000 км.

Модель использует профиль температуры Bates-Walker как функцию от геопотенциальной высоты для верхней термосферы, для нижней термосферы – обратный полином от той же переменной. Атмосферные характеристики выражены в виде функций от географических и солнечных/магнитных параметров. Для описания основных вариаций атмосферы, включая широтные, годовые, полугодовые и долготные, используются сферические гармоники низких порядков. При расчете общей массовой плотности в NRLMSISE-00 учтен возможно значительный вклад «аномального кислорода» (горячего атомарного кислорода и ионизованного кислорода) на высотах свыше 500 км.

Для тестирования или других специальных нужд предусмотрен массив переключателей для включения/выключения расчёта отдельных вариаций.

Следует упомянуть также эмпирическую модель CIRA (COSPAR International Reference Atmosphere, ftp://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/models/atmospheric/cira/cira86/), рекомендуемую Committee on Space Research (COSPAR), которая рассчитывает температуру и плотности атмосферы для высот от 0 до 2000 км. Различные версии модели CIRA публикуются с начала 60-х годов, в качестве последней упоминается CIRA-86, которая на высотах больше 100 км идентична модели MSIS-86.

Эмпирическая модель ветров HWM

HWM (Horizontal Wind Model, ftp://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/models/atmospheric/hwm93/) является эмпирической моделью горизонтального нейтрального ветра верхней термосферы, разработанной в дополнение к модели состава и температуры атмосферы MSIS. Обе эти модели первоначально создавались одной группой разработчиков под руководством A.E. Hedin с целью получения эмпирической модели атмосферы Земли. Последней версией модели нейтрального ветра является HWM-93, позволяющая рассчитывать зональную и меридиональную компоненты скорости горизонтального нейтрального ветра в средней и верхней атмосфере.

Модель использует данные спутников, радаров некогерентного рассеяния и оптических интерферометров Фабри — Перо. Для описания зональной и меридиональной компонент ветра используется ограниченный набор векторных сферических гармоник. Как и модель MSIS, HWM-93 оперирует массивом переключателей, предназначенных для включения/выключения тех или иных вариаций. Механизм работы с переключателями тот же, причём переключатели с 1 по 15 совпадают с переключателями модели NRLMSISE – 00.

Входными параметрами эмпирических моделей NRLMSISE-00 и HWM-93 являются: номер дня в году, местное время, широта, долгота, высота, поток солнечного излучения на волне 10,7 см (F10.7) (среднее значение за три месяца и значение для предыдущего дня), индекс Ap для выражения геомагнитной активности (дневной и иногда текущий за три часа).

Эмпирические модели ионосферы

Среди эмпирических моделей ионосферы наиболее широкое распространение получила модель IRI (International Reference Ionosphere, http://modelweb.gsfc.nasa.gov/ionos/iri.html), рекомендуемая Committee on Space Research (COSPAR) и International Union of Radio Science (URSI). Последней версией модели является IRI-2001.

В IRI используются данные мировой сети ионозондов, радаров некогерентного рассеяния, зондов, спутников и ракет. Модель рассчитывает плотность, температуру электронов; температуру и состав ионов (O+, H+, He+, NO+, O+2), ионный дрейф, полное электронное содержание (TEC) в диапазоне высот от 50 до 2000 км.

Входными параметрами модели являются: дата (год, месяц, день), мировое время, широта, долгота, высота.

Для включения/выключения некоторых опций в IRI-2001 предусмотрен массив переключателей.

Эмпирические модели магнитосферного поля

Модель International Geomagnetic Reference Field (IGRF, http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html) предназначена для эмпирического представления магнитного поля Земли и рекомендована к использованию специальной рабочей группой International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA). Модель IGRF представляет основное поле без внешних источников. Модель использует обычное гармоническое распространение скалярного потенциала в геоцентрических координатах. Коэффициенты IGRF базируются на всевозможных источниках данных включая геомагнитные измерения, проведённые обсерваториями, ракетами, летательными аппаратами и спутниками. Последней версией модели является IGRF-10, основанная на данных для 1945-2000 годов и пригодная для прогнозов для 1900-2010 годов.

Модель Tsyganenko Magnetic Field Model (http://modelweb.gsfc.nasa.gov/magnetos/tsygan.html) представляет собой полуэмпирическое best-fit представление магнитного поля, основанное на большом массиве спутниковых измерений (IMP, HEOS, ISEE, POLAR, Geotail и т.д.). Модель учитывает влияние внешних магнитосферных источников: кольцевого тока, системы токов хвоста магнитосферы, токов магнитопаузы и широкомасштабной системы продольных токов. Автор модели также предоставляет библиотеку процедур GEOPACK-2005, которые рассчитывают вклад внутренних источников магнитного поля и осуществляют преобразования систем координат.

Эмпирические модели электрического поля

Heppner-Maynard-Rich Electric Field Model 1990 (http://modelweb.gsfc.nasa.gov/ionos/heppner_maynard_rich.html) представляет собой ряд моделей электрического поля магнитосферной конвекции и модель высыпающихся частиц и проводимости AFGL для получения величин проводимостей, токов и Джоулева нагрева. Модели Heppner-Maynard базируются на измерениях электрического поля, проведённых спутниками OGO 6 (Polar-Orbiting Geophysical Observatory 6) и DE 2 (Dynamics Explorer 2) и рассчитывают потенциал электрического поля, распределение самого поля от геомагнитной широты 60 градусов к полюсу, проводимости Холла и Педерсена, продольные токи и Джоулев нагрев.

В работе Weimer, 2001 (http://www.agu.org/pubs/crossref/2001/2000JA000604.shtml) приведено описание улучшенной модели ионосферного электрического потенциала и ячеек конвекции. Эта модель рассчитывает значение потенциала для любых требуемых значений межпланетного магнитного поля (ММП), скорости и концентрации частиц солнечного ветра, угла склонения силовых линий дипольного поля. В качестве входного параметра задаётся индекс магнитной активности AL.

В более ранних версиях модели потенциал электрического поля рассчитывался по формулам от индекса магнитной активности AЕ.

Версия 1985 года модели IZMEM (IZMIRAN Electrodynamic Model, http://modelweb.gsfc.nasa.gov/ionos/izmir.html) состоит из набора таблиц, предварительно полученных для нескольких высокоширотных электродинамических параметров ионосферы. В качестве входных параметров модели выступают величина и направление межпланетного магнитного поля (ММП). Выходными параметрами являются вектора геомагнитного возмущения на поверхности Земли, потенциал электростатического поля на ионосферных высотах, вектора электрического поля, продольные токи, вектора ионосферных токов, скорость Джоулева нагрева.

Эмпирические модели высыпаний энергичных частиц

Реклама