Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 91455 10.12737/szf-104202409 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Semi-empirical method of studying the D-layer aeronomy. II. Evidence-based calibration of the method Полуэмпирический приближенный метод исследования некоторых вопросов аэрономии области D-ионосферы. II. Отработка (калибровка) метода по экспериментальным данным Козлов Станислав Иванович Kozlov Stanislav Ivanovich s_kozlov@inbox.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Николайшвили Сергей Шотаевич Nikolaishvily Sergey Shotaevich ser58ge@mail.ru Научно-исследовательский испытательный центр ЦНИИ ВКС МО РФ Москва Россия Central Research Institute of Aerospace Forces, Ministry of Defense of the Russian Federation Moscow Russian Federation Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН Москва Россия Sadovsky Institute of Geosphere Dynamics RAS Moscow Russian Federation Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского РАН Москва Россия Sadovsky Institute of Geosphere Dynamics RAS Moscow Russian Federation Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова Москва Россия Fedorov Institute of Applied Geophysics Moscow Russian Federation 18 12 2024 18 12 2024 10 4 79 90 21 06 2024 19 08 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/91455/view

Приводятся результаты отработки (калибровки) по экспериментальным данным полуэмпирического метода исследования некоторых вопросов аэрономии области D ионосферы. Используются данные двух типов: 1) одновременные измерения высотных профилей электронной концентрации Ne(h) и скоростей ионизации q(h) в возмущенных условиях; 2) средние значения <Ne> в различных гелиогеофизических условиях при низкой и высокой солнечной активности. Дается детальный анализ привлекаемых экспериментальных данных и описывается методология отработки метода. Показано, что во всех гелиогеофизических ситуациях необходимо использовать зависимости констант скоростей реакций от температуры T. При этом к выбору распределения T(h) следует подходить с осторожностью, учитывая, по возможности, большинство известных факторов, влияющих на него. Делается вывод о целесообразности использования новых скоростей фотоотлипания электронов от первичного отрицательного иона O²₋, зависящих от зенитного угла Солнца и h. Неизвестные константу скорости диссоциативной рекомбинации кластерных положительных ионов и скорость фотоотлипания электронов от сложных отрицательных ионов можно рассматривать в качестве свободно варьируемых параметров, естественно, в разумных пределах. В возмущенной ионосфере экспериментальные данные показывают падение Ne на всех h при q≈(1.3÷2)⋅10² см⁻³ с⁻¹ с последующим их ростом с увеличением q, что подтверждается расчетами по полуэмпирической модели, правда, для более широкого диапазона изменений q. Для лучшего согласия модельных расчетов с экспериментом и теоретического понимания обнаруженного эффекта требуется проведение дальнейших исследований. При использовании дневных средних <Ne> результаты расчетов по полуэмпирическому методу качественно не противоречат общим представлениям о поведении аэрономических параметров в области D. Проведенные исследования показывают, что обсуждаемый метод позволяет получать качественные оценки во всех гелиогеофизических условиях, а для возмущенной ионосферы — вполне удовлетворительные количественные результаты.

This paper presents the results of evidence-based calibration of a new semi-empirical method for studying the D-layer aeronomy. We use simultaneous measurements of altitude profiles of electron density Ne(h) and ionization rate q(h) under disturbed conditions (case 1) and mean <Ne> under various heliogeophysical conditions at low (LSA) and high (HSA) solar activity (case 2). The experimental data and methods are described in detail. It is shown that it is necessary to include temperature dependences of rate constants T(h) for all heliogeophysical conditions. Care should be taken when choosing the T(h) distribution with due regard to most of known factors having an effect on it, wherever possible. We draw a conclusion on the practicability of the use of new photodetachment rates that depend on the solar zenith angle and h. The unknown dissociative recombination rate for cluster positive ions and the photodetachment rate can be reasonably considered as free parameters, of course within due limits. Under disturbed ionospheric conditions, the evidence shows a fall in Ne at all altitudes h when q≈(1.3÷2)⋅10² cm⁻³ s⁻¹ with further increase in the parameters with q, which is confirmed by calculations using the semi-empirical model, yet for a wider range of q variations. The theoretical model that explains the aforementioned effect is the subject of future study. The results for dayside <Ne> coincide qualitatively with our knowledge on the behavior of aeronomy parameters in the D layer. The studies suggest that the presented method allows qualitative estimations under all heliogeophysical conditions and even wholly satisfactory quantitative estimations under disturbed ionospheric conditions.

 нижняя ионосфера ракетные пуски аэрономия обратная задача lower ionosphere missile launch aeronomy inverse problem Работа выполнена в рамках Госзадания FMWN-2022-0021 The work was carried out under government assignment FMWN-2022-0021

Авдюшин С.И., Алпатов В.В., Ветчинкин Н.В., Романовский Ю.А. Активные эксперименты и антропогенные эффекты в околоземной среде: методология, аппаратура, результаты. Модель космоса. Т. 2. 2007. М.: Изд. Книжный дом «Университет». С. 891–917. Avdyushin S.I., Alpatov V.V., Vetchinkin N.V., Romanovskij Yu.A. Active experiments and anthropogenic effects in near-Earth space: Methodology, equipment, results. Space Model. 2007, vol. 2, pp. 891–917. Moscow, 2007. (In Russian). Беккер С.З. Вероятностно-статистические модели нижней невозмущенной среднеширотной ионосферы, верифицированные по данным наземных радиофизических измерений. Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. М: ИДГ РАН, 2018. 26 с. Bekker S.Z. Probabilistic-statistical model of low undisturbed mid-latitude ionosphere verified according to data of ground-based radio physical measurements. Thesis Abstract. Moscow, IDG RAN Publ., 2018, 26 p. (In Russian). Боярчук А.К., Карелин А.В., Широков Р.В. Базовая модель кинетики ионизированной атмосферы. М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ». 2006. 203 с. Bekker S.Z., Ryakhovsky I.A., Korsunskaya J.A. Modeling of the lower ionosphere during solar X-ray flares of different classes. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021, vol. 126, no. 2, e2020JA028767. DOI: 10.1029/2020JA028767. Данилов А.Д., Родевич А.Ю., Смирнова Н.В. Параметрическая модель области D, учитывающая метеорологические эффекты. Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31, № 5. С. 881–885. DOI: 10.1134/S0023420619010023. Boyarchuk A.K, Karelin A.V., Shirokov R.V. Basis Model of the Ionized Atmosphere Kinetics. Moscow, 2006, 203 p. (In Russian). Иванов-Холодный Г.С., Михайлов А.В. Прогнозирование состояния ионосферы (детерминированный подход). Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 190 с. Danilov A.D., Rodevich A.YU., Smirnova N.V. Parametric model of the D-region, taking meteorological effects into account. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1991, vol. 31, no. 5, pp. 881–885. (In Russian). Козлов С.И. Кинетика ионов в ночной области D-ионосферы. Космические исследования. 1971. Т. 9, № 1. С. 81–90. DOI: 10.31857/S0016794022050078. Danilov A.D., Rodevich A.YU., Smirnova N.V. Problems with incorporating a new D-region model into the IRI. Adv. Space Res. 1995, vol. 15, no. 2, pp. 165–167. Козлов С.И. Аэрономия искусственно возмущенных атмосферы и ионосферы Земли. 2021. М.: ТОРУС-ПРЕСС, 268 с. Friedrich M., Torkar K.M. FIRI: A semiempirical model of the lower ionosphere. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, no. A10, pp. 21409–21418. Козлов С.И., Смирнова Н.В. Методы и средства создания искусственных образований в околоземной среде и оценка характеристик возникающих возмущений. I. Методы и средства создания искусственных образований. Космические исследования. 1992а. Т. 30, № 4. С. 495–523. Friedrich M., Pock C., Torkar K. FIRI-2018, an updated empirical model of the lower ionosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018, vol. 123, rr. 6737−6751. DOI: 10.1029/2018JA025437. Козлов С.И., Смирнова Н.В. Методы и средства создания искусственных образований в околоземной среде и оценка характеристик возникающих возмущений. II. Оценка характеристик искусственных возмущений. Космические исследования. 1992б. Т. 30, № 5. С. 629–693. Gordillo Vazquez F.J. Air plasma kinetics under the influence of sprites. J. Phys. D: Applied Phys. 2008, vol. 41, p. 234016. Козлов С.И., Ляхов А.Н. Расчеты фотоотлипания электронов от О– и в области D-ионосферы в зависимости от высоты, зенитного угла и активности Солнца. Солнечно-земная физика. 2023. Т. 9, № 4. С. 104–107. DOI: 10.12737/szf-94202312. Haerendel L.G., Sagdeev R.Z. Artificial plasma jet in ionosphere. Adv. Space Res. 1981, vol. 1, no. 2, p. 29–44. DOI: 10.1016/0273-1177(81)90270-2. Козлов С.И., Ляхов А.Н., Беккер С.З. Основные принципы построения вероятностно-статистических моделей ионосферы для решения задач распространения радиоволн. Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 6. С. 767–779. Ivanov-Kholodny G.S., Mikhailov A.V. Prediction of the State of the Ionosphere (Deterministic Approach). Leningrad, Hydrometeoizdat Publ. 1980, 190 p. (In Russian). Козлов С.И., Беккер С.З., Ляхов А.Н., Николайшвили С.Ш. Полуэмпирический приближенный метод исследования некоторых вопросов аэрономии области D-ионосферы. I. Основные принципы разработки метода и базовые уравнения. Геомагнетизм и аэрономия. 2022. Т. 62, № 5. С. 653–660. DOI: 10.31857/S0016794022050078. Kozlov S.I. Ion kinetics in the ionosphere night-side D-region. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Res.]. 1971, vol. 9, no. 1, pp. 81–90. (In Russian). Нестерова И.И., Гинзбург Э.И. Каталог профилей электронной концентрации области D ионосферы. Новосибирск: Изд-во ИГиГ, 1985. 210 с. Kozlov S.I. Aeronomy of Artificially Disturbed Earth’s Atmosphere and Ionosphere. Moscow, TORUS-PRESS, 2021. 268 p. (In Russian). Смирнова Н.В., Козлов С.И, Власков В.А. Специализированная аэрономическая модель для исследований модификации средней атмосферы и нижней ионосферы. II. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными. Космические исследования. 1990. Т. 28, № 1. С. 77–84. Kozlov S.I., Smirnova N.V. Methods and means of creating artificial formations in the circumterrestrial medium and estimation of the characteristics of arising perturbations. I. Methods and means of creating artificial formations. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Res.]. 1992a, vol. 30, no. 4, pp. 495–523. (In Russian). Bekker S.Z., Ryakhovsky I.A., Korsunskaya J.A. Modeling of the lower ionosphere during solar X-ray flares of different classes. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 2. e2020JA028767. DOI: 10.1029/2020JA028767. Kozlov S.I., Smirnova N.V. Methods and means of creating artificial formations in the circumterrestrial medium and estimation of the characteristics of arising perturbations. II. Estimation of the characteristics of artificial perturbations. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Res.]. 1992b, vol. 30, no. 5, pp. 629–693. Danilov A.D., Rodevich A.Yu., Smirnova N.V. Problems with incorporating a new D-region model into the IRI. Adv. Space Res. 1995. Vol. 15, no. 2. P. 165–167. Kozlov S.I., Lyahov A.N. Photodetachment rates for O– and in the D layer of the ionosphere as function of solar zenith angle and solar activity. Solar-Terr. Phys. 2023, vol. 9, iss. 4, pp. 95–98. DOI: 10.12737/stp-94202312. Friedrich M., Torkar K.M. FIRI: A semiempirical model of the lower ionosphere. J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106, no. A10. P. 21409–21418. Kozlov S.I., Lyahov A.N., Bekker S.Z. Key principles of constructing probabilistic statistical ionosphere models for the radiowave propagation problems. Geomagnetism and Aeronomy. 2014, vol. 54, iss. 6, pp. 750–762. Friedrich M., Pock C., Torkar K. FIRI-2018, an updated empirical model of the lower ionosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018. Vol. 123. P. 6737−6751. DOI: 10.1029/2018JA025437. Kozlov S.I., Bekker S.Z., Lyahov A.N., Nikolaishvili S.S. A semiempirical approximate method for investigating some problems of the aeronomy of the D-region of the ionosphere. I. Basic Principles of Method Development and Basic Equations. Geomagnetism and Aeronomy. 2022, vol. 62, iss. 5, pp. 607–613. DOI: 10.1134/S0016793222050073. Gordillo Vazqez F.J. Air plasma kinetics under the influence of sprites. J. Phys. D: Applied Phys. 2008. Vol. 41. P. 234016. Nesterova I.I., Ginzburg E.I. Catalogue of electron density profiles of the ionosphere D region. Novosibirsk, 1985, 210 p. (In Russian). Haerеndel L.G., Sagdeev R.Z. Artificial plasma jet in ionosphere. Adv. Space Res. 1981. Vol. 1, no. 2. P. 29–44. DOI: 10.1016/0273-1177(81)90270-2. Proc. COSPAR Symposium on Solar Particle Event of November 1969. AFCRL. 72. 0474. Special report N144. Ed. J.C. Ulwick. 1972, 703 p. Proc. COSPAR Symposium on Solar Particle Event of November 1969. AFCRL. 72. 0474. Special report N144. Ed. J.C. Ulwick. 1972. 703 p. Sellers B., Stroscio M.A. Rocket-measured effective recombination coefficients in the disturbed D-region. J. Geophys. Res. 1975, vol. 80, no. 16, pp. 2241–2246. Sellers B., Stroscio M.A. Rocket-measured effective recombination coefficients in the disturbed D-region. J. Geophys. Res. 1975. Vol. 80, no. 16. P. 2241–2246. Smirnova N.V., Kozlov S.I., Vlaskov V.A. Special-purpose aeronomic model for investigating the artificial modification of the middle atmosphere and lower ionosphere. II - Comparison of calculation results with experimental data. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Res.]. 1990, vol. 28, no. 1, pp. 77–84. (In Russian). Swider W. Aeronomic aspects of the polar D-region. Space Sci. Rev. 1977. Vol. 20. P. 69–114. DOI: 10.1007/BF02186894. Swider W. Aeronomic aspects of the polar D-region. Space Sci. Rev. 1977, vol. 20, pp. 69–114. DOI: 10.1007/BF02186894. Swider W., Dean W.A. Effective electron loss coefficient of the disturbed daytime D-region. J. Geophys. Res. 1975. Vol. 80, no. 13. P. 1815–1819. DOI: 10.1029/JA080i013p01815. Swider W., Dean W.A. Effective electron loss coefficient of the disturbed daytime D-region. J. Geophys. Res. 1975, vol. 80, iss. 13, pp. 1815–1819. DOI: 10.1029/JA080i013p01815. Swider W., Narcisi R.S., Keneshea T.J., Ulwick J.C. Electron loss during a nighttime PCA event. J. Geophys. Res. 1971. Vol. 79, no. 19. P. 4691–4694. Swider W., Narcisi R.S., Keneshea T.J., Ulwick J.C. Electron loss during a nighttime PCA event. J. Geophys. Res. 1971, vol. 79, iss. 19, pp. 4691–4694. Swider W., Keneshea T.J., Foley C.I. An SPE-disturbed D-region model. Plan. Space Sci. 1978. Vol. 26. P. 883–892. DOI: 10.1016/0032-0633(78)90111-3. Swider W., Keneshea T.J., Foley C.I. An SPE-disturbed D-region model. Planetary and Space Sci. 1978, vol. 26, iss. 9, pp. 883–892. DOI: 10.1016/0032-0633(78)90111-3. Van Gaens W., Bogaerts A. Kinetic modelling for an atmospheric pressure argon plasma jet inhumid air. J. Phys. D: Applied Phys. 2013. Vol. 46. P. 275201. DOI: 10.1088/0022-3727/46/27/275201. Van Gaens W., Bogaerts A. Kinetic modelling for an atmospheric pressure argon plasma jet in humid air. J. Phys. D: Appl. Phys. 2013. v. 46, no. 27, p. 275201. DOI: 10.1088/0022-3727/46/27/275201. Whitten R.C., Poppoff I.G., Edmonds R.S., Berning W.W. Effective recombination coefficients in the lower ionosphere. J. Geophys. Res. 1965. Vol. 70, iss. 7. P. 1737–1742. DOI: 10.1029/ JZ070i007p01737. Whitten R.C., Poppoff I.G., Edmonds R.S., Berning W.W. Effective recombination coefficients in the lower ionosphere. J. Geophys. Res. 1965, vol. 70, iss. 7, pp. 1737–1742. DOI: 10.1029/JZ070i007p01737. World Meteorological Organization (WMO). Global Ozone Research and Monitoring Project Report. 1985. No. 16. 392 p. World Meteorological Organization (WMO). Global Ozone Research and Monitoring Project Report. 1985, no. 16, 392 p.