chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2018-19-4-91-102cheb-446Research ArticleСтатьиArticleЧисленное моделирование параметров полярной ионосферыNumerical modeling of the polar ionosphere parametersЛукьяноваР. Ю.LukyanovaR. Yu.

Лукьянова Рената Юрьевна — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник

Lukyanova Renata Yurievna — D.Sc., Principal research scientist

r.lukianova@gcras.ruГеофизический центр РАНРоссияGeophysical Center RASRussian Federation20180411201819491102Copyright © Лукьянова Р.Ю., 20192019Лукьянова Р.Ю.Lukyanova R.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/446

В статье дается обзор разработанных трех численных моделей для расчета электродинамических параметров высокоширотной ионосферы Земли. Модель глобального распределения ионосферного электрического потенциала, построенная на основе решения краевой задачи о растекании ионосферных токов, позволяет рассчитать траектории конвекции ионосферной плазмы в северном и южном полушариях. Модель высокоширотной ионосферы позволяет оперативно рассчитывать трехмерную структуру электронной плотности в диапазоне высот 120-500 км при различных гелио-геофизических условиях. Учитывается определяющая роль электрических полей магнитосферного происхождения. Концентрация основных ионосферных ионов определяется решением уравнения фотохимического баланса и конвективно-диффузионного уравнения вдоль траектории конвекции плазменных трубок с учётом параметров термосферы. Разработана методика и алгоритмы численного расчета распределения магнитного поля над ионосферой, которое создается электрическими токами магнитосферного происхождения. Модель базируется на решении уравнения для векторного магнитного потенциала и позволяет рассчитать двумерную картину магнитных вариаций.

An overview of the three numerical models for calculating the electrodynamic parameters of the Earth’s high-latitude ionosphere is presented. The model of the global distribution of the ionospheric electric potential, constructed on the basis of the solution of the boundary value problem on the spreading of ionospheric currents, makes it possible to calculate the trajectories of convection of the ionospheric plasma in the northern and southern hemispheres. The model of the high-latitude ionosphere allows calculating the three-dimensional structure of the electron density in the altitude range of 120-500 km under various helio-geophysical conditions. Importance of the electric fields of magnetospheric origin is stressed. Concentration of the main ionospheric ions is determined by the solution of the photochemical balance equation and the convective-diffusion equation along the trajectory of the plasma tube convection, taking into account the parameters of the thermosphere. A methodology and algorithms for calculating the distribution of magnetic field over the ionosphere, which is created by electric currents of magnetospheric origin, are developed. The model is based on the solution of the equation for the vector magnetic potential and makes it possible to calculate a two-dimensional picture of the magnetic variations.

ИоносфераЭлектродинамикаЭлектронная плотностьЧисленное моделированиеДифференциальные уравненияИтерационные методыРоссийский научный фонд, проект 16-17-00121ReferencesHeppner J.P. Maynard N.C. Empirical high-latitude electric field model // J.Geophys.Res. 1987. Vol. A2, № 5, Р.4467-4489.Heppner J.P. Maynard N.C. 1987, "Empirical high-latitude electric field model", J. Geophys. Res. Vol. A2, № 5, Р. 4467-4489.Papitashvili, V.O., Christiansen F., Neubert T. A new model of field-aligned currents derived from high-precision satellite magnetic field data // Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29, № 14, 1683. http://dx.doi.org/10.1029/2001GL014207.Papitashvili, V.O., Christiansen F., Neubert T. 2002, "A new model of field-aligned currents derived from high-precision satellite magnetic field data", Geophys. Res. Lett. Vol. 29, № 14, 1683. http://dx.doi.org/10.1029/2001GL014207.Ruohoniemi J.M., Greenwald R.A. Dependencies of high-latitude plasma convection: consideration of IMF, seasonal, and UT factors in statistical patterns // J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, A09204. http://dx.doi.org/10.1029/2004JA010815.Ruohoniemi J.M., Greenwald R.A. 2005, "Dependencies of high-latitude plasma convection: consideration of IMF, seasonal, and UT factors in statistical patterns", J. Geophys. Res. Vol. 110, A09204. http://dx.doi.org/10.1029/2004JA010815.Bilitza D., McKinnell L.-A. Reinisch B.W., Fuller-Rowell T. The international reference ionosphere today and in the future // J. Geodesy. 2010, Vol. 85, P. 909-920, doi: 10.1007/s00190010-0427-x.Bilitza D., McKinnell L.-A. Reinisch B.W., Fuller-Rowell T. 2010, "The international reference ionosphere today and in the future", J. Geodesy. Vol. 85, P. 909-920, doi: 10.1007/s00190-0100427-x.Lukianova R., Troshichev O.A., Galperin Y.I., Jorjio N.V. Reconstruction of the FAC structure along spacecraft trajectory with regard for edge effects of current sheets // Int. J.Geomag. Aeronomy. 2001, Vol. 2, № 3. P.159-172. .Lukianova R., Troshichev O.A., Galperin Y.I., Jorjio N.V. 2001, "Reconstruction of the FAC structure along spacecraft trajectory with regard for edge effects of current sheets", Int. J. Geomag. Aeronomy. Vol. 2, № 3. P. 159-172.Лукьянова Р.Ю. Распределение электрического потенциала в ионосфере Земли с учетом электродинамической сопряженности полушарий: численная модель // Матем. моделирование, 2017. Т. 29, № 5. С. 122–132.Lukianova R.Yu. 2017, "Distribution of the electric potential in the Earth’s ionosphere taking into account the electrodynamic coupling of the hemispheres: numerical moel", Math. Modeling. Vol. 29, № 5. P. 122–132.Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы // Л.: Наука, 1988. 526с.Brunelli B.E., Namgaladze A.A. 1988, Physics of the ionosphere L.: Nauka, 526 p.Владимиров В.С. Уравнения математической физики // М.: Наука, 1981. 512 с.Vladimirov V.S. 1981 Equations of mathematical physics М.: Nauka, 512 p.Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений // М.: Наука, 1978, 592 c.Samarsky A.A., Nikolaev E.S. 1978, Methods of solution of network equations М.:Nauka, 592p.Lukianova R., Christiansen F. Modeling of the global distribution of ionospheric electric field based on realistic maps of field-aligned currents // J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111, A03213, doi:10.1029/2005JA011465.Lukianova R., Christiansen F. 2006, "Modeling of the global distribution of ionospheric electric field based on realistic maps of field-aligned currents", J. Geophys. Res. Vol. 111, A03213, doi:10.1029/2005JA011465.Lukianova R., Hanuise C., Christiansen F. Asymmetric distribution of the ionospheric electric potential in the opposite hemispheres as inferred from the SuperDARN observations and FAC-based convection model // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2008. Vol. 70. P. 2324-2335, doi:10.1016/j.jastp.2008.05.015.Lukianova R., Hanuise C., 2008, "Christiansen F. Asymmetric distribution of the ionospheric electric potential in the opposite hemispheres as inferred from the SuperDARN observations and FAC-based convection model", J. Atmos. Solar-Terr. Phys. Vol. 70. P. 2324-2335, doi:10.1016/j.jastp.2008.05.015.Uvarov V.M., R.Yu. Lukianova, Numerical modeling of the polar F region ionosphere taking into account the solar wind conditions // Adv. Space Research, 56, 2563–2574 10.1016/j.asr.2015.10.004, 2015.Uvarov V.M., R.Yu. Lukianova, 2015, "Numerical modeling of the polar F region ionosphere taking into account the solar wind conditions", Adv. Space Research, 56, 2563–2574 10.1016/j.asr.2015.10.004.Lukianova R., Uvarov V.M., Coisson P. Evolution of the high-latitude F region large-scale ionospheric irregularities under different solar wind and zenith angle conditions // Adv. Space Res. 2017. Vol. 59, № 2. P. 557-570, doi:10.1016/j.asr.2016.10.010.Lukianova R., Uvarov V.M., Coisson P. 2017, "Evolution of the high-latitude F region largescale ionospheric irregularities under different solar wind and zenith angle conditions", Adv. Space Res. Vol. 59, № 2. P. 557-570, doi:10.1016/j.asr.2016.10.010.Уваров В.М., Барашков П.Д. Типы распределения электрических полей и соответствующие им типы конвекции в полярной ионосфере. Модель // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. № 4. C. 621-628.Uvarov V.M., Barashkov P.D. 1989 "Types of electric field distribution and corresponding types of convection in the polar ionosphere. A model", Geomagnetizm i aeronomy. Vol. 29. № 4. P. 621-628.Hedin, A. E. MSIS-86 Thermospheric Model // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92, № 5. P. 46494662Hedin, A. E. 1987, "MSIS-86 Thermospheric Model", J. Geophys. Res. Vol. 92, № 5. P. 46494662.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.