Жеребцов Г.А. Физические процессы в полярной ионосфере. Москва, 1988.

Глава 8 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ 8.1. Постановка задачи Несмотря на наличие пространственно-одномерных и двумерных мате­ матических моделей ионосферы, наиболее желаемым является моделиро­ вание пространственно-трехмерной структуры полярной ионосферы. Одна­ ко осуществление этой идеи наталкивалось на серьезные трудности. К счастью, оказалось, что физические условия позволяют получать прост­ ранственное распределение характеризующих заряженные частицы высоко­ широтной ионосферы величин путем решения всего лишь нестационарных пространственно-одномерных уравнений переноса. Это становится возмож­ ным благодаря использованию некоторых свойств конвекции ионосфер- но-магнитосферной плазмы. В этой главе будет описана математическая модель конвектирующей полярной ионосферы, позволяющая рассчитывать наряду с пространствен­ ным распределением заряженных частиц также и тепловой режим ионов и электронов в высоких широтах. Эта модель была разработана в нача­ ле 80-х годов совместными усилиями Вычислительного центра и Поляр­ ного геофизического института Кольского филиала АН СССР при участии двух авторов этой книги. В этой главе найдут также отражение результаты расчетов по описываемой модели, полученные до 1984 г. Рассмотрим поведение высокоширотной ионосферы на основе решения системы уравнений неразрывности, движения и теплопроводности ионов и электронов. В ионосферной плазме F l -слоя, так же как и в вышележа­ щей магнитосферной плазме, осуществляется ’’вмороженность” геомаг­ нитных силовых линий в заряженную составляющую ионосферной плаз­ мы [1, 2]. Движение плазмы поперек магнитного поля подразумевает такое движе­ ние силовых линий, при котором их поперечная скорость оказывается равной поперечной скорости плазмы. При этом все частицы плазмы, перво­ начально находившиеся на магнитной силовой линии, продолжают оста­ ваться на ней. Так как выше примерно 70 км электроны, а выше 140 км и ионы сильно замагничены, то движение заряженных частиц выше 140 км является фактически дрейфом, т.е. заряженные частицы движутся в направлении, перпендикулярном как вектору магнитной индукции В, так и вектору действующей на них внешней силы. Поскольку самой главной составля­ ющей внешней силы является сила, обусловленная внешним электри­ ческим полем Ев, скорости дрейфа от действия которого для электронов и для ионов совпадают, то поперечное движение заряженных частиц выше примерно 140 км происходит почти с одинаковой скоростью. Если концент­ рация заряженных частиц или другие микроскопические характеристики плазмы неоднородны в пространстве, то появляется поле поляризации Ел, возникающее вследствие нарушения электронейтральности плазмы, кото­ рое препятствует движению положительных ионов и электронов с разли­ чающимися скоростями.