В 2021–2022 году был обработан большой объем спутниковых и наземных экспериментальных данных, проведены численные расчеты по моделированию плазмохимии нижней ионосферы с использованием различных схем ионизационно-рекомбинационного цикла.

  Для того чтобы минимизировать ошибки в определении параметров нейтральной атмосферы, была проведена статистическая обработка многолетних спутниковых данных температуры и концентрации нейтральных составляющих, полученных спутниками AURA и TIMED. Были проанализированы суточная, сезонная, широтная, долготная зависимости спутниковых данных температуры T, концентраций [N2], [O2], [H2O], [O3] и [CO2], а также зависимость от солнечной активности. Такой анализ позволил определить оптимальные диапазоны усреднения экспериментальных величин. Для отобранных рентгеновских вспышек различного класса с учетом различных гелиогеофизических условий были получены медианные профили температуры и концентраций нейтральных составляющих нижней ионосферы, которые являются входными параметрами плазмохимических моделей.

   Скорость ионизации является ключевым параметром плазмохимических моделей нижней ионосферы, к колебаниям которого концентрация электронов наиболее чувствительна. Для расчета скорости ионизации q были рассмотрены основные источники ионизации освещенной D-области: рентгеновское излучение Солнца, ионизация основных нейтральных составляющих космическими лучами, ионизация молекул NO и O2 в ультрафиолетовом диапазоне. В результате учета вышеперечисленных источников ионизации D-области была рассчитана динамика суммарного профиля скорости ионизации с учетом реальных потоков солнечного излучения во время 2 дней спокойного Солнца и во время 12 рентгеновских вспышек различного класса, произошедших в 2013 и 2014 году.

   Для различных гелиогеофизических условий были решены три системы дифференциальных уравнений, которые построены на четырех-, пяти- и восьмикомпонентной схемах ионизационно-рекомбинационного цикла. В основу четырехкомпонентной схемы ионизационно-рекомбинационного цикла легла модель GPI [Glukhov et al., 1992]. Она описывает динамику концентрации электронов Ne, отрицательных ионов [O2–], положительных ионов [NO+] и кластерных положительных ионов [XY1+]. Модель учитывает прилипание электронов в тройных соударениях, фотоотлипание от отрицательных ионов [O2–], преобразование положительных ионов [NO+] в кластерные ионы [XY1+], диссоциативную рекомбинацию положительных ионов с электронами и ион-ионную рекомбинацию.

   Пятикомпонентная схема ионизационно-рекомбинационного цикла основана на работе [Kozlov et al., 2014], в отличие от четырехкомпонентной она дополнительно включает в рассмотрение динамику отрицательных кластерных ионов [XY1–], образующихся из ионов [O2–].

   За основу восьмикомпонентная схемы ионизационно-рекомбинационного цикла взята работа [Kudryavtsev & Romanyukha, 1995]. В этой схеме первичным положительным ионом является O2+, из которого образуется ион NO+, при этом в расчете использовалось не суммарное значение скорости ионизации от всех источников, как в четырех- и пятикомпонентной схемах, а реализован отдельный учет ионизации молекул O2, NO.

   Расчет динамики высотного профиля концентрации электронов был произведен для двух серий рентгеновских вспышек, произошедших 24-25 октября 2013 года и 9–11 июня 2014 года, и двух дней спокойного Солнца, предшествующих этим вспышкам. Все три плазмохимические модели решались с одинаковым набором входных параметров (скорость ионизации, температура и концентрация нейтральных составляющих, константы скоростей реакций) методом Рунге-Кутта 2–3го порядка.     Для верификации построенных плазмохимических моделей и определения набора фотохимических реакций, с помощью которого может быть корректно воспроизведено состояние параметров нижней ионосферы в спокойных условиях и во время рентгеновских вспышек, были использованы данные амплитуды и фазы СДВ-сигналов, принятых в ГФО Михнево (55° N 38° E) от шести европейских передатчиков GBZ, GQD, ICV, DHO, TBB, FTA, расположенных в средних широтах. Протяженность трасс составила от 1960 до 2580 км

   Расчет амплитуды и фазы сигнала осуществлялся с использованием программы LWPC, которая позволяет рассчитать распространение сигналов СДВ-диапазона в волноводе Земля–ионосфера. Три построенных системы дифференциальных уравнений решались с равномерным шагом по трассам, который составил примерно ~ 150 км.

   По результатам верификации у четырех- и пятикомпонентной моделей были обнаружены заниженные скорости релаксации после произошедших рентгеновских вспышек, что привело к тому, что при моделировании нескольких вспышек каждая последующая описывается хуже предыдущей. Восьмикомпонентная модель воспроизвела качественный ход экспериментальных кривых почти на всех рассмотренных трассах даже во время вспышек X-класса. При этом на трассах FTA–Михнево и GQD–Михнево впервые было получено корректное количественное воспроизведение экспериментальных значений не только амплитуды, но и фазы сигнала. 

   По результатам верификации сделан вывод, что восьмикомпонентная модель обладает наилучшими прогностическими способностями при описании отклика параметров нижней ионосферы на рентгеновские вспышки различной мощности. Поэтому она будет взята за основу при решении задач второго года работы над проектом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Glukhov, V. S., Pasko, V. P., & Inan U. S. (1992). Relaxation of transient lower ionospheric disturbances caused by lightning‐whistler‐induced electron precipitation bursts. Journal of Geophysical Research, 97(A11), 16971–16979. https://doi.org/10.1029/92JA01596

Kozlov, S.I., Lyakhov, A.N., & Bekker, S.Z. (2014). Key principles of constructing probabilistic statistical models of the ionosphere for the problems of radio propagation. Geomagnetism and aeronomy, 54(6), 750–762. https://doi.org/10.1134/S0016793214060127

Kudryavtsev, V.P., Romanyukha, N.Yu. (1995). Modelling of ionization-recombination processes in the middle atmosphere. Mathematical Modeling, 7(3), 3–18.

при поддержке