Вестник Кольского научного центра РАН. 2010, №2.

УДК 551.510.535 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ D-, E- и F-СЛОЕВ ИОНОСФЕРЫ, РАЗРАБОТАННЫЕ В ПОЛЯРНОМ ГЕОФИЗИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ ЗА 50 ЛЕТ ЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ В.С. Мингалев, Г.И. Мингалева Полярный геофизический институт КНЦ РАН Аннотация Приводится обзор математических моделей земной ионосферы, которые были разработаны в Полярном геофизическом институте за время его существования. Упоминаются теоретические работы, включающие физические и математические формулировки задач, которые посвящены исследованию физико-химических процессов в D-, E- и F-областях земной ионосферы. Рассматриваются одно-, двух-, трехмерные и глобальные математические модели земной ионосферы. Ключевые слова: Полярный геофизический институт, земная ионосфера, математическое моделирование. Введение Сотрудники Полярного геофизического института (ПГИ) в своих исследованиях начали применять метод математического моделирования для исследования земной ионосферы с 1960-х гг. К настоящему времени в научной литературе опубликовано несколько сотен работ сотрудников ПГИ, посвященных разработке и применению математических моделей, описывающих поведение различных параметров ионосферной плазмы на разных высотных уровнях и в различных геофизических ситуациях. Упомянуть все такие работы в рамках краткого обзора невозможно, поэтому мы будем ссылаться обычно только на одну работу, в которой была описана данная математическая модель. Другие последующие работы автора (или группы авторов), в которых приводятся результаты, полученные при помощи этой конкретной модели, мы, как правило, упоминать не будем, хотя число таких последующих работ иногда исчисляется десятками. Исключение будет делаться в том случае, когда в последующей работе будет описан модифицированный вариант модели, переводящий ее на другой качественный уровень. Мы будем рассматривать только математические модели поведения D-, E- и F-слоев ионосферы, поэтому такие направления исследований как математическое моделирование вторжения в верхнюю атмосферу пучков частиц (электронов, протонов, ионов и атомов) и вызываемого этими вторжениями свечения неба останутся за рамками настоящего рассмотрения. Не будут рассматриваться также модели, описывающие поведение только нейтральных компонент верхней атмосферы, в том числе малых и возбужденных составляющих. Рассмотрение разработанных в ПГИ математических моделей, предназначенных для проведения исследований в вышеуказанных двух направлениях, представляет несомненный интерес и может составить предмет специальных обзоров. Таким образом, мы будем рассматривать только такие разработанные в ПГИ математические модели, которые позволяют рассчитывать физические параметры заряженных частиц (в первую очередь концентрации, а затем, по возможности, макроскопические скорости, температуры, а также функции распределения) в ионосферных слоях D, E и F как в спокойных, так и в возмущенных условиях. Принципы построения ионосферных моделей Земная ионосфера является сложным физическим объектом, представляющим собой приблизительно шаровой слой на высотах примерно от 50 до 1000 км, заполненный смесью химически реагирующих частично ионизованных газов, находящихся в гравитационном поле вращающейся Земли, подверженных воздействию электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца и других космических источников; заряженные компоненты этой смеси подвержены действию геомагнитного поля и крупномасштабных электрических полей. Довольно широкий круг явлений, протекающих в околоземной плазме, может быть описан на кинетическом уровне при помощи функций распределения отдельных сортов частиц. Если поведение каждого сорта а смеси газов описывается функцией распределения f a (r,ua,t ) , зависящей от 25