Ветры в термосфере от солнечного и высокоширотного источников

На сегодняшний день созданы ряд моделей, рассчитывающие глобальные распределения термосферных ветров по заданному полю давления нейтрального газа, которое берется из эмпирических и полуэмпирических моделей нейтральной атмосферы. Пример таких расчетов, выполненных с использованием модели MSIS, для равноденствия и спокойных геомагнитных условий, когда отсутствует (или мал) высокоширотный разогрев нейтрального газа авроральными токами и высыпающимися частицами, представлен для высоты 320 км на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Рассчитанные глобальные распределения горизонтальной
составляющих вектора скорости нейтрального газа на высоте 320 км.

Основными особенностями картины термосферных ветров являются следующие. Нейтральный газ растекается во все стороны из дневного полушария в ночное от области повышенного давления, обусловленного солнечным разогревом. Центр этой области сдвинут от подсолнечной точки в вечерний сектор к ~16—17 ч местного времени. Днем ветер дует преимущественно к полюсам, ночью - к экватору. В солнцестояние область повышенного давления, связанная с солнечным разогревом, сдвигается от экватора в летнее полушарие, и газ перетекает через экватор из летнего полушария в зимнее.

В зависимости от сезона изменяется и характер суточной вариации ветра на средних широтах по сравнению с периодом равноденствия: зимой ветер направлен к полюсу в течение большей части суток, чем летом. Скорости вертикальных движений нейтрального газа на два порядка меньше по величине, чем скорости горизонтальных ветров. Газ поднимается над нагретым полушарием и опускается в холодном.

В магнитно-возмущенных условиях характер глобального распределения термосферных ветров существенно изменяется вследствие высыпаний энергичных частиц и усиления токов в высоких широтах. Возникают два дополнительных источника движений нейтрального газа: а) тепловой, и связанный с высокоширотным разогревом термосферы за счет джоулева тепла авроральных токов и диссипации энергии высыпающихся из магнитосферы частиц, и б) пондермоторный, связанный с передачей импульса от быстро движущихся заряженных частиц к нейтральным. Увеличение температуры при различных уровнях магнитной активности, связанное с высокоширотным разогревом, иллюстрирует рис. 3.4. Соответственно изменяются плотность и результирующие (от солнечного и высокоширотного источников) градиенты давления, движущие нейтральный газ.

Рис. 3.4. Широтные вариации экзосферной температуры при различных
уровнях геомагнитной активности по модели Яккиа-77 в равноденствие (а) и в июньское солнцестояние (б).

 

Согласно данным наблюдений и расчетов ветров интенсивность высокоширотного  источника нагрева и соответствующих ему движений возрастает от минимума к максимуму солнечной активности в большей степени, чем величина солнечного ультрафиолетового нагрева.

Наличие солнечного и высокоширотного источников разогрева приводит к существованию зависимости параметров термосферы (температуры, состава, скорости ветра) от мирового времени (так называемых UT-эффектов), поскольку высокоширотный источник привязан к геомагнитному полюсу, отстоящему по широте на 11  от географического и вращающемуся вокруг него. В результате положение максимума джоулева разогрева относительно подсолнечной точки будет изменяться в зависимости от UT. Наличие UT-эффектов, наиболее ярко выраженных в магнитно-возмущенных условиях.

Основные эффекты в изменении состава атмосферы, связанном с термосферной циркуляцией, сводятся к следующему. От областей разогрева газ движется вверх и по горизонтали в стороны к более холодным областям. При этом общая плотность на фиксированных высотах над разогретыми областями возрастает, а относительное содержание легких компонент падает, последние переносятся в более холодные области, над которыми газ опускается вниз. Результатом этого процесса являются вариации состава термосферы с сезоном и с уровнем геомагнитной активности: в более холодном зимнем полушарии увеличивается относительное содержание легких компонент О и Не, а летнее полушарие обогащается молекулярными компонентами О₂ и N₂. Аналогичным образом в периоды геомагнитных бурь отношение концентраций легких и тяжелых компонент в термосфере уменьшается в разогретых высокоширотных областях (вплоть до широт ~40°) и увеличивается в низкоширотных.