Вестник Кольского научного центра РАН. 2010, №2.

Пространственно трехмерные модели. Хотя применение пространственно одно- и двухмерных моделей позволило исследовать многие важные свойства ионосферы, все же эти модели не позволяют воспроизвести поведение реальной трехмерно неоднородной земной ионосферы. Создание пространственно трехмерных моделей ионосферы долгое время сдерживалось как в нашей стране, так и за рубежом ограниченными возможностями имеющихся вычислительных средств. Первые такие модели появились в 1970-х гг., причем они не опирались на решение трехмерных уравнений, а были основаны на использовании специфических физических условий, позволяющих обходиться решением всего лишь нестационарных пространственно одномерных уравнений переноса. Оказывается, что из-за сильной замагниченности заряженных частиц и “вмороженности” магнитного поля в плазму на высотах слоя F и в вышележащей магнитосферной плазме задачу об отыскании пространственно трехмерных решений уравнений переноса можно заменить двумя значительно менее сложными задачами: решением пространственно одномерных нестационарных уравнений переноса, описывающих поведение заключенной в магнитные силовые трубки с непроницаемыми боковыми стенками плазмы, а также отысканием траекторий перемещения магнитных силовых трубок и скорости перемещения плазмы вдоль них. Такое перемещение плазмы называют конвекцией, оно является фактически дрейфом под действием крупномасштабного электрического поля (поля конвекции). Среди отечественных математических моделей, позволяющих рассчитывать пространственно трехмерные распределения ионосферных параметров, первой появилась модель, описанная в работе [41]. Эта модель использовала идею конвекции, основывалась на решении уравнений неразрывности для 3 сортов положительных ионов и упрощенных уравнений движения ионов (в диффузионном приближении) и позволяла получать стационарные пространственно трехмерные распределения концентраций ионов в высокоширотной F-области. В этой модели температуры заряженных частиц считались задаваемыми параметрами. Первой (как среди отечественных, так и зарубежных моделей) пространственно трехмерной моделью, позволяющей наряду с концентрацией рассчитывать также температуры ионов и электронов, явилась модель, описанная в работе [42]. Она использовала идею конвекции, основывалась на совместном решении уравнения неразрывности для положительных ионов, уравнения движения этих ионов в продольном (относительно магнитного поля) направлении, содержащего силы инерции и вязкого трения, а также уравнений теплового баланса ионов и электронов. Модель позволяла рассчитывать стационарные пространственно трехмерные распределения концентрации заряженных частиц, их продольной скорости, а также температур ионов и электронов в пределах расстояний от земли 100-700 км в полярной ионосфере. Последняя из упомянутых пространственно трехмерная модель в последствии была усовершенствована таким образом, что область расчетов в ней стала покрывать не только полярные, но и субавроральные широты [43]. Позже эта модель была усовершенствована так, что ее нижняя граница была опущена до 70 км в результате добавления блока расчетов химического состава нижней ионосферына уровнях 70-130 км, взятого из модели [34]. Усовершенствованный вариант модели был описан в работе[44]. Глобальные модели ионосферы. Изложенная выше идея, основанная на прослеживании за поведением плазмы в части магнитной силовой трубки, может быть применена для расчета пространственно 3-мерных распределений ионосферных параметров не только в региональных моделях ионосферы, но и в глобальном масштабе над всей Землей. При этом нужно учитывать, что траектории перемещения концов магнитных силовых трубок не являются строго круговыми, они немного деформированы за счет действия наряду с полем коротации еще и других крупномасштабных электрических полей, которые хотя и имеют существенно меньшие величины, чем поле конвекции в полярной области, но все же реально существуют и на средних широтах, и вблизи экватора. Если задать электрическое поле не только в полярной области, а над всей земной поверхностью, то, пользуясь изложенным выше подходом, можно смоделировать поведение плазмы F-слоя над всем земным шаром. Изложенный подход был реализован в Калининградской обсерватории ИЗМИРАН в разработанной там глобальной численной модели термосферы, ионосферы и протоносферы Земли [45]. Эта модель описывает не только ионосферу, но также термосферу и протоносферу Земли, поскольку в ней численно решаются нестационарные трехмерные гидродинамические уравнения неразрывности, движения и теплового баланса для нейтрального, ионного и электронного газов совместно с уравнением для потенциала электрического поля. Это позволяет рассчитывать как плотности, скорости и температуры заряженных и 32