Российские ученые построили новую модель всей атмосферы Земли

Ученые построили не имеющую аналогов в России и Европе модель атмосферы, которая позволяет рассчитать ее характеристики от поверхности Земли до высоты в 100 тысяч километров. С ее помощью исследователи выяснили, что на процессы, происходящие в ионосфере — ионизированном слое, — влияют процессы, происходящие в нижних слоях атмосферы. Статья исследователей опубликована в журнале Advances in Space Research.

Атмосфера простирается от поверхности Земли до высоты десять тысяч километров, постепенно переходя в межпланетное космическое пространство. По температуре воздуха в ней выделяют несколько слоев, верхний из которых (не считая зоны рассеяния) — термосфера — начинается на высоте 80–90 км. Под воздействием солнечной радиации и космического излучения часть атомов и молекул газа атмосферы ионизируется: нейтральные частицы становятся заряженными. Область с их высоким содержанием называют ионосферой. В случае Земли газ становится ионизированным уже на высоте около 60 км, и большая часть ионосферы совпадает с термосферой. Нейтральные и заряженные частицы газа взаимодействуют между собой в области этих слоев, которая может варьироваться в зависимости от солнечной активности.

Поддержанные грантом Российского научного фонда ученые из Калининградского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова РАН разработали модель EAGLE (Entire Atmosphere Global model), позволяющую рассчитывать характеристики нейтральной атмосферы и заряженной ионосферы от поверхности Земли до высот порядка 100 тысяч километров (то есть включающую всю атмосферу и даже околоземное космическое пространство). Используя данные спутниковых и наземных наблюдений в качестве входных параметров, модель EAGLE рассчитывает параметры нейтральных и заряженных частиц, такие как состав, плотности, температуры, векторы скоростей движения. Она основана на численном решении уравнений, описывающих основные законы сохранения массы, импульса, энергии и полного тока в ионосфере. Эта модель предназначена для исследования процессов в сложной системе «атмосфера — ионосфера». На данный момент аналоги существуют только в США и Японии.

Взаимодействие термосферы и ионосферы, происходящее на уровне физико-химических и динамических процессов, может сказаться на точности, качестве и работоспособности методов прогнозирования и оценки происходящих процессов. Поведение системы «атмосфера — ионосфера» важно учитывать при планировании спутниковых программ, работы радиофизических систем навигации и обнаружения, GPS. Кроме того, это необходимо для прогнозирования космической погоды, изменений озонового слоя и климата, оценки риска последствий вспышек на солнце и геомагнитных бурь.

С одной стороны, на термосферу и ионосферу влияет солнечная активность, и их изменчивость не может быть успешно смоделирована без представления о процессах, происходящих в нижележащих слоях атмосферы — тропосфере, стратосфере и мезосфере. С другой стороны, термосфера связывает их с космическим пространством. За счет высокоэнергетических частиц в последнем формируются разрушающие озон химические соединения. Из-за их перемещения вниз защитный экран планеты может пострадать, что приводит к изменению климата в тропосфере. Таким образом, наличие в моделях тесной связи между всеми слоями атмосферы необходимо для понимания происходящих в ней физических процессов, а также для интерпретации прошедших и предсказания будущих изменений атмосферы, космической погоды и климата Земли в будущем.

«Основным результатом наших работ стало создание модели EAGLE, охватывающей всю атмосферу. Наша разработка, позволяющая исследовать чувствительность системы “термосфера — ионосфера” к различным возмущениям и влияние энергетических частиц на климат, не имеет аналогов в России и Европе. С ее помощью мы показали роль атмосферно-ионосферного взаимодействия при прогнозировании поведения заряженного слоя в спокойных геомагнитных условиях», –– рассказал руководитель гранта, ведущий научный сотрудник КФ ИЗМИРАН Евгений Розанов.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.