Физические механизмы формирования реакции верхней атмосферы и ионосферы на процессы в нижней атмосфере и на поверхности Земли. Исследование тропосферно-ионосферных связей и анализ физических процессов, реализующих их

Цель: развитие теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных представлений о механизмах реализации связей процессов в нижней атмосфере и ионосфере. Предложен комплексный подход к изучению динамических связей нижних и верхних слоев атмосферы в условиях отдельного региона, сочетающий экспериментальные и теоретические методы исследований, анализ и оценки состояния среды. В экспериментальных исследованиях суточных вариаций ТЕС выявлены морфологические признаки возмущений ионосферы, инициируемых метеорологическими штормами. Разработаны алгоритм и программа диагностирования волновых возмущений и энтропийной моды по наблюдениям параметров атмосферы и ионосферы. Дано теоретическое объяснение генерации мезомасштабных электрических полей в ионосфере в результате действия вертикального электрического тока, текущего между Землей и ионосферой и созданного преимущественно неэлектрическими силами. Рассчитаны возмущения напряженности электрических полей и соответствующие двухмерные возмущения полного электронного содержания ионосферы, и проанализированы их зависимости от плотности и направления вертикального электрического тока, широтного расположения источников, их конфигурации и сезона моделируемого события. Воспроизведены основные индивидуальные особенности относительных возмущений полного электронного содержания, наблюдавшихся перед землетрясениями на Суматре в марте 2005 г. и в Японии в марте 2011 г. Выполнены модельные расчеты трехмерных вариаций электронной концентрации под действием мезомасштабных электрических полей. Изучено влияние не только вертикального дрейфа плазмы под действием зонального компонента мезомасштабного электрического поля, но и горизонтальное перераспределение плазмы. Выявлено формирование всплывающих пузырей (баблов) и капель (блобов) – областей пониженной и повышенной электронной концентрации в низкоширотной ионосфере. Произведены расчеты трехмерных возмущений концентрации, температуры и скоростей движения основных нейтральных компонентов верхней атмосферы Земли, создаваемых действием сейсмогенных электрических полей в ионосфере. Исследован относительный вклад электромагнитного дрейфа плазмы F2-слоя ионосферы и внутренних гравитационных волн в формирование ионосферных возмущений в периоды подготовки сильных землетрясений. Проведены численные эксперименты по генерации и распространению акустико-гравитационных волн (АГВ) из нижней атмосферы в верхнюю с применением двухмерной модели распространения атмосферных волн, учитывающей нелинейные и диссипативные процессы, а также самосогласованное взаимодействие с фоновым состоянием среды. Предложен комплекс программ, позволяющий обрабатывать и сортировать данные радиозатменных наблюдений, полученные с помощью спутников COSMIC, GRACE и CHAMP. Разработана методика исследования динамики АГВ по наблюдениям атмосферных и ионосферных параметров, выполненных методами лидарного зондирования параметров тропосферы, вертикального зондирования ионосферы и трансионосферного зондирования на основе приема сигналов спутников ГНСС. Результаты анализа наблюдений параметров нижней атмосферы и ионосферы в периоды прохождения солнечного терминатора показали, что: в эти периоды отмечается усиление вариаций параметров среды с периодами инфразвуковых колебаний, близких к периоду Вяйсяля - Брента, которое продолжается в течение 1 - 2 ч и отчетливо проявляется в освещенной области ионосферы; в спектре возмущений параметров нижней атмосферы и ионосферы отмечается усиление вариаций с одинаковыми периодами, что позволяет предположить, что такие вариации могут иметь один источник возбуждения в атмосфере. Проведены наблюдения вариаций параметров атмосферы и ионосферы в периоды сильных метеорологических возмущений. Анализ данных наблюдений показал, что в периоды метеорологических возмущений происходят увеличение вклада вариаций параметров атмосферы и ионосферы с периодами инфразвуковых и АГВ и уменьшение значений критических частот F-слоя и полного электронного содержания по отношению к метеорологически спокойным дням. Установлено, что АГВ, возбуждаемые локализованными источниками на поверхности Земли, распространяются до верхней атмосферы и ионосферы. Процесс распространения АГВ сопровождается взаимосвязанными эффектами, обусловленными диссипацией волн в верхней атмосфере - нагревом атмосферы волнами, приводящим к локальному изменению состояния атмосферы, и волноводным распространением волновых возмущений с периодами менее периода Вяйсяля - Брента в возмущенной атмосфере на высотах ниже 200 км. Физическая интерпретация возникающих ионосферных возмущений основана на представлении о диссипации распространяющихся из нижней атмосферы АГВ, что приводит к формированию локальных областей нагрева термосферы и усилению рекомбинационных процессов в ионосфере. Тестирование данных, полученных радиозатменным методом, показало, что на их основе может быть построена новая глобальная эмпирическая модель F2-слоя ионосферы без использования неравномерной интерполяции экспериментальных данных по пространству. В численных экспериментах установлено, что комплекс программ, включающий модели ГСМ ТИП и распространения радиоволн в ионосфере, может быть использован для описания изменений характеристик коротковолновой связи в различных областях ионосферы. Изучены особенности влияния гелиогеофизических условий на формирование радиотрасс КВ-диапазона. Подробно рассмотрены особенности лучевых траекторий коротких радиоволн в ионосфере во время внезапного стратосферного потепления 23 - 27 января 2009 г. Во время рассматриваемого события наблюдалось уменьшение электронной концентрации в гребнях экваториальной аномалии, что привело к увеличению числа траекторий, проходящих ионосферу насквозь, уменьшению длины одного скачка (порядка 4° по широте), а также увеличению отклонения траекторий радиотрасс от дуги большого круга по сравнению со спокойными условиями. Модельные исследования динамики ионосферы во время геомагнитных возмущений показали, что использование современной модели продольных токов в глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы позволяет количественно воспроизвести величины foF2, наблюдаемые в области главного ионосферного провала. Для устранения различий в долготных вариациях foF2 в модели ГСМ ТИП и по данным наблюдений необходимо в модели использовать справочную модель магнитного поля (IGRF). Медианная модель главного ионосферного провала и данные радиозатменных наблюдений по сравнению с существующими опциями модели IRI лучше описывают распределение foF2 в области главного ионосферного провала, что говорит о том, что они могут быть использованы для долгосрочного прогноза ионосферы субавроральных широт.