Численное моделирование распространения акустико-гравитационных волн, вызванных метеорологическими штормами в Калининградском регионе

В экспериментальных исследованиях установлено, что активные динамические процессы в нижней атмосфере такие как тайфуны, ураганы, штормы являются причиной разнообразных ионосферных возмущений. В частности, в многочисленных наблюдениях, выполненных в Калининградском регионе в периоды метеорологических возмущений, сопровождающихся усилениями ветра до 8-9 баллов по шкале Бофорта, отмечались существенные изменения в параметрах ионосферы по отношению к метеоспокойным условиям. Особенности наблюдаемых ионосферных возмущений состоят в том, что они возникают непосредственно над областью шторма и устойчиво коррелируют по времени с увеличением скорости порывов ветра в области шторма.
Проведены численное моделирование ионосферных возмущений от точечного термосферного источника нагрева, имитирующего эффект диссипации акустико-гравитационных волн (АГВ), распространяющихся из области метеорологического шторма. Для оценки пространственной структуры и амплитуды источника возмущения термосферы вследствие диссипации АГВ были использованы расчеты, основанные на теоретическом исследовании, в котором показано, что распространение короткопериодных АГВ от поверхности Земли, приводит к формированию над источником возмущений на высотах ~ 200 км области нагрева вследствие диссипации волн. Задание на поверхности Земли амплитуд волновых возмущений, характерных для метеорологических штормов, приводит к нагреву термосферы при таких процессах на ~ 100 К. Исследования воздействия дополнительного термосферного источника нагрева на параметры верхней атмосферы и ионосферы были проведены численные эксперименты с использованием Глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы (ГСМ ТИП). Модель ГСМ ТИП позволяет рассчитывать глобальные распределения термосферных и ионосферных параметров в области высот от 80 до 500 км и успешно применяется для исследования крупномасштабных процессов в верхней атмосфере. Для модельного исследования были выбраны метеорологические шторма 29 октября 2017 года и 23-24 октября 2018 года. Актуальная версия источника работает равномерно по времени на протяжении суток (с 0 UT) на четырёх узлах сетки ГСМ ТИП в форме квадрата со сторонами по широтам и долготам 10 на 10 градусов. Теоретически это соответствует выбранным штормам с аналогичным временем активности и геометрическими размерами. Целью моделирования являлось исследование механизмов формирования ионосферных возмущений, вызываемых локальными термосферными источниками, и выявление наиболее важных факторов, определяющих реакцию ионосферы. Появление термосферных возмущений, в свою очередь, влияет на ионизационные и рекомбинационные процессы, что и приводит к изменению состояния ионосферы.
Проведенное моделирование указывает на выраженный отрицательный ионосферный эффект от прохождения шторма непосредственно над ним и положительный – к югу и юго-востоку от него. Максимум ионосферного эффекта приходится на 16 UT. Работа источника в ночное время не оказывает существенного эффекта на ионосферные возмущения. Моделирование ионосферных эффектов от нагрева термосферы, вызванного диссипацией АГВ, демонстрирует снижение электронной концентрации в максимуме F-слоя дневной ионосферы к северо-западу от области источника и её повышение к югу и юго-востоку от него. Наиболее эффективно на снижение электронной концентрации в ионосфере влияют процессы турбулентной диффузии, приводящие к понижению концентрации атомарного кислорода в нижней термосфере. Развивающиеся крупномасштабные циркуляционные процессы в термосфере приводят к положительным ионосферным возмущениям, отмечающимся к югу от области источников вплоть до низких широт. Причиной положительных возмущений могут являться процессы переноса плазмы из области термосферного возмущения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калининградской области в рамках научного проекта № 19-45-393002.