Physics of auroral phenomena : proceedings of the 37th Annual seminar, Apatity, 25 - 28 February, 2014 / [ed. board: A. G. Yahnin, N. V. Semenova]. - Апатиты : Изд-во Кольского научного центра РАН, 2014. - 125 с. : ил., табл.

“Physics o f Auroral Phenomena", Proc. XXXVII Annual Seminar, Apatity, pp. 51-54, 2014 © Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2014 Polar Geophysical Institute АВРОРАЛЬНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ ИОНОСФЕРНОЙ КОНВЕКЦИИ М.А. Волков (Политехнический институт МГТУ, кафедра физики, e-mail :volkovma@mstu.edu.ru) 1. Введение В работах [Atkinson, 1970; Holzer and Sato, 1973] предсказаны механизмы обратной связи между движущейся плазмой в магнитосфере и ионосфере. Даже в случае холодной плазмы из-за столкновений с нейтральными частицами в ионосфере возникают возмущения электрического и магнитного нолей. В холодной плазме они распространяются вдоль магнитного поля из ионосферы в магнитосферу в форме альвеновской волны. Из-за поляризационных токов на краях области возмущения возникают продольные токи, направленные вдоль магнитного поля. Продольные токи могут приводить к возникновению продольного электрического поля ускорению и высыпанию электронов в ионосферу. Эта обратная связь может стать положительной и привести к нарастанию возмущений. Исследования обратной связи проводятся, как правило, в приближении малых возмущений [Trakhtengerts and Feldstein, 1991; Lysak and Yan Song, 2002]. Но даже в этом случае более точное решение этой задачи получается при использовании численных методов. Это связано с достаточно неоднородным профилем альвеновской скорости вдоль магнитной силовой линии. Значительные по величине продольные токи ~ 10'5 А/м2 могут заметно модифицировать ионосферную проводимость, в тоже время оказывая малое влияние на концентрацию холодной магнитосферной плазмы. Таким образом, процессы, описывающие данную обратную связь, могут быть нелинейными в ионосфере и линейными в магнитосфере. В рамках данного приближения с учетом реалистичного изменения альвеновской скорости вдоль магнитной силовой линии в настоящей работе численно исследуется развитие двумерного аврорального возмущения. 2. Описание ионосферы Используем прямоугольную систему координат, ось у направим на запад ось х к - югу, ось z - вниз, вдоль магнитного поля (Северное полушарие). Будем рассматривать двумерные возмущения, зависящие от х и z, т.е. 5/5у=0. Уравнение непрерывности для электронов с учетом процессов ионизации и рекомбинации имеет следующий вид: dn/dt + d(nvex)/dx = -y/edjjdz- r(n2- n 02), (1) где n, vex— концентрация и скорость электронов; п0 — фоновое значение концентрации; г —коэффициент рекомбинации (квадратичный закон рекомбинации выполняется для высот £-слоя);у, - продольный ток, е - заряд равный заряду электрона, у - коэффициент размножения пар ионов при ионизации. Нас будут интересовать процессы, длительность которых много больше 0.01 с. В этом случае из уравнения движения ионов получим следующее выражение для скорости: v^=(~kTdln(n)/dx+eEs)i[vlcai)lm, <uf (2) где vx; —скорость ионов, кТ — тепловая энергия ионов, т, —масса иона, п —концентрация ионов в ионосфере, v - частота столкновений ионов с нейтралами, со, —гирочастота ионов, Ех —напряженность х компоненты электрического поля, fty/coijrfyja,) /(1+(v„/m,)2. Уравнение непрерывности для тока в ионосфере: д/дх(ОрЕх - ahE0y)= -d jjdz, (3) где oPh - ионосферные проводимости Педерсена и Холла, Е0у - электрическое поле ионосферно- магнитосферной конвекции. Частоты столкновений электронов с нейтралами много меньше гирочастоты электронов в ионосфере, поэтому можно считать, что электроны движутся со скоростью конвекции vc=Eoy/B0 (В0 -индукция магнитного поля в ионосфере). Ионосферные проводимости зависят от концентрации заряженных частиц и частот следующим образом: Oh-enlBo, apJoh~f{v/a),). В дальнейшем будем рассматривать ионосферу тонким проводящим слоем. Уравнения (1-3) проинтегрируем по толщине ионосферы h. Для этого зададим изменения концентрации с высотой s: n{s)=n0 exp (-(s-s0)2/h2), где ^-высота максимума Е слоя, распределение f(s) зададим таким же образом, где f(s0)=0.5. Проинтегрированные по толщине ионосферы уравнения (1,3) запишутся тогда так: dNIdt + Ей/BodN/dx = - y jje - r(N2- N02)/ (2 m h) (4) 51