Цифровые международные модели: атмосферы nrlmsis00 и ветра hwm-93

Международная модель атмосферы NRLMSIS 00 является эмпирической и позволяет рассчитывать для любой точки земного шара профили следующих газовых составляющих до высоты 1000км:

     D(1) - HE NUMBER DENSITY (CM-3)

     D(2) - O NUMBER DENSITY (CM-3)

     D(3) - N2 NUMBER DENSITY (CM-3)

     D(4) - O2 NUMBER DENSITY (CM-3)

     D(5) - AR NUMBER DENSITY (CM-3)                      

     D(6) - TOTAL MASS DENSITY (GM/CM3)

     D(7) - H NUMBER DENSITY (CM-3)

     D(8) - N NUMBER DENSITY (CM-3)

     D(9) - Anomalous oxygen NUMBER DENSITY (CM-3)

     T(1) - EXOSPHERIC TEMPERATURE

     T(2) - TEMPERATURE AT ALT

Входными данными модели являются:

IYD - day of year from 1 to 365 (or 366)

SEC – UT (SEC)

    ALT – ALTITUDE (KM)

    GLAT - GEODETIC LATITUDE (DEG)

     GLONG - GEODETIC LONGITUDE (DEG)

     STL - LOCAL APPARENT SOLAR TIME

     F107A - 81 day AVERAGE OF F10.7 FLUX (centered on day DDD)

     F107 - DAILY F10.7 FLUX FOR PREVIOUS DAY

     AP - MAGNETIC INDEX (DAILY)

Программа написана на языке FORTRAN и допускает различные переделки и адаптацию для конкретных практических задач.

                             

Международная модель ветра HWM 93 является эмпирической и позволяет рассчитывать для любой точки земного шара профили ветра до высоты 1000км: меридиональную и зональную составляющие. Программа написана на языке FORTRAN и допускает различные переделки и адаптацию для конкретных практических задач. В частности, на выходе программы может быть рассчитан файл wind.dat (Таблица 3.1).

 

Таблица 3.1. Пример формата выходного файла при расчете ветра.

 

Первый столбец - высота в км, второй – меридиональная составляющая ветра в м/с,   третий – зональная в м/с, четвертый – амплитуда ветра в м/с, пятый – азимут ветра.

6.1. Земля как источник геомагнитного поля и геомагнитные
 вариации

 

Источником магнитного поля Земли в настоящее время считается наличие конвективных токов во внешнем жидком металлическом (железо-никелевом) ядре Земли. Общее строение Земли представлено на рис. 6.1. В центральной области Земли, как предполагается, находится твердое или близкое к этому состоянию железо-никелевое ядро. Оно называется внутренним. За ним, ближе к поверхности, располагается внешнее жидкое ядро, в котором “плавает” внутреннее ядро. Из-за большой температуры во внешнем ядре возникают сложные конвективные потоки, которые создают электрический ток. В результате эти токи, как предполагается, генерируют магнитное поле Земли.

Рис. 6.1. Строение Земли [1].

 

Основную часть напряженности магнитного поля составляет магнитное поле диполя. Принято считать, что северный магнитный полюс находится в южном полушарии; т.е. рядом с северным географическим полюсом располагается южный магнитный полюс и, наоборот, с южным географическим - северный магнитный полюс, как это изображено на рис. 6.2. Ось геомагнитного диполя не совпадает с осью вращения Земли. Угол между ними составляет около 10°. Магнитные полюса являются точками на поверхности Земли, в которых магнитное поле вертикально.

Рис. 6.2. Расположение магнитных полюсов Земли [1].

 

Южный магнитный полюс смещен относительно северного географического полюса в сторону Канады на расстояние около 1500 км. Магнитные полюса перемещаются со скоростью около 5 км в год (Рис.6.3).

 

Рис.6.3. Положение геомагнитных полюсов с 1900 по 2020 г на основе данных модели IGRF-12.

 

Напряженность магнитного поля  в любой точке Р на поверхности Земли можно определить по его вертикальной составляющей Z, направленной вниз, и вектору горизонтальной составляющей , или же по вектору  и углу , на который  отклоняется от горизонтальной плоскости, как это показано на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Элементы магнитного поля.

 

На поверхности Земли направление  определяется углом D между  и северным направлением географического меридиана. D называется магнитным склонением (или склонением стрелки компаса) и считается положительным, если вектор  отклонен от севера к востоку. Северная и восточная составляющие вектора  обозначаются соответственно буквами X, Y. При этом имеют место следующие соотношения:

, , , , .

Напряженность магнитного поля  в СИ не имеет названия и измеряется в А/м. Индукция магнитного поля  в СИ измеряется в Тесла (Тл). Названа в честь выдающегося сербского (американского) физика, инженера, изобретателя Никола Тесла (1856-1943). 1 Тл = 10 000 Гаусс (единица СГС). 1 Тл -  Гамма (γ единица, применяемая в геофизике).

Постоянный контроль геомагнитного поля осуществляется международной сетью геомагнитных обсерваторий – рис.6.5.

Рис.6.5. Пункты расположения геомагнитных обсерваторий.

 

Суммарная напряженность магнитного поля на поверхности Земли обусловлена токами, индуцированными в Земле (главное геомагнитное поле) и отчасти внешними токами, протекающими в ионосфере и магнитосфере. При этом важно отметить, что напряженность поля, создаваемая токами внутри Земли, на несколько порядков превышает величины напряженности поля, создаваемые внешними токами. В частности, напряженность поля главной части геомагнитного поля составляет десятки тысяч нанотесла, а поле, создаваемое внешними токами, обычно не превышает 1000 нанотесла. Относительная постоянность величин и конфигурации суммарного магнитного поля позволяет использовать эти свойства для решения задач навигации. При этом (в отличие от других методов) векторное поле позволяет не только определять координаты, но и направление движения объекта.

Магнитное поле, вызванное электрическими токами, текущими над Землей, в любой точке поверхности испытывает суточные и сезонные изменения, связанные с солнечной активностью. Дни, когда временные магнитные вариации являются «плавными» и регулярными, называются q-днями, при этом q означает магнитноспокойный. Другие дни, d-дни, называют магнитновозмущенными. В q-дни магнитные вариации протекают в основном по местному солнечному времени. Они содержат также очень малую долю, которая обусловлена Луной. Эти две части называются солнечно-суточной (Рис.6.6) и лунно-суточной магнитными вариациями. Эти вариации и поля, проявлением которых они являются, обозначаются через Sq и L (S — солнечные, L—лунные).

Рис. 6.6. Солнечно-суточная магнитная вариация.

Оба типа вариаций вызываются электрическими токами, текущими в ионосфере, главным образом в слое Е. Одним из механизмов, обуславливающих Sq – вариации, является ионизация и нагрев атмосферы Земли под действием солнечного излучения. В результате, создаются проводящие слои и возникает движение атмосферы - ветры, которые, в свою очередь, увлекают в динамо-области ионосферы ионы и заставляют их двигаться в горизонтальном направлении, оставляя электроны привязанными к геомагнитному полю. Возникают электрические поля и токи, которые изменяют геомагнитное поле, создают геомагнитные вариации. Электрическое поле, необходимое для генерации токов, может быть создано и процессами в магнитосфере с последующим перенесением созданного там поля в ионосферу по высокопроводящим силовым линиям геомагнитного поля.

Вспышка на Солнце приводит к резкому усилению потока ионизирующего излучения, вызывающему столь же резкое увеличение концентрации электронов в ионосфере. Это возрастание электронной концентрации и соответственно проводимости ионосферы приводит к скачкообразному возрастанию амплитуды суточной вариации магнитного поля без изменения ее характера. Наблюдаемое изменение магнитного поля может быть приписано усилению в ионосфере токового вихря, создающего суточную вариацию. Оно начинается примерно через 8 мин после вспышки, в соответствии с временем пробега света от Солнца до Земли.

Геомагнитными возмущениями будем называть нарушения спокойного суточного хода; наиболее интенсивные возмущения определяются как магнитные бури. Их принято подразделять на два вида: вспышечные и рекуррентные, связанные с устойчивыми скоростными потоками плазмы солнечного происхождения и выявляющие тенденцию к повторению через 27 суток. Исследование мировых магнитных бурь привело к выводу, что они всегда сопровождаются возникновением полярных сияний, возрастанием ионосферного поглощения радиоволн, установлением особых колебательных режимов в магнитосфере Земли и другими эффектами, и что все эти эффекты связаны с высыпанием энергичных частиц из магнитосферы в верхнюю атмосферу. Процесс, приводящий к такому комплексу явлений, и входящий как составная часть в магнитную бурю, получил название суббури.