Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетном году была разработана новая глобальная модель атмосферы (EAGLE) позволяющая интерактивно рассчитывать состояние тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и системы ионосфера-плазмосфера. Модель EAGLE состоит из химико-климатической модели HAMMONIA, используемой для расчетов от поверхности Земли до высоты 80 км, и модели термосферы-ионосферы-плазмосферы ГСМ ТИП для высот от 120 км до верхней границы атмосферы (примерно 15 радиусов Земли). В области 80-120 км поля температуры, взятые из модели HAMMONIA, используются для расчета циркуляции, состава термосферы, состояния ионосферы и электродинамики по модели ГСМ ТИП. Модель HAMMONIA, в свою очередь, использует рассчитанные в ГСМ ТИП нисходящие потоки окислов азота на уровне 80 км, ионное торможение и джоулев нагрев. Проведенные расчеты показали, что созданная модель лучше воспроизводит низкие температуры в полярной летней мезосфере. Модель будет использована для исследования влияния солнечной активности (солнечных протонов, солнечных вспышек, энергетических электронов, геомагнитных возмущений и т.д.) и метеорологических возмущений в нижней атмосфере (внезапных стратосферных потеплений, циклонической активности и перестройки циркуляции, связанной с возможным изменением климата) на состояние системы термосфера-ионосфера. Разработанная модель EAGLE требует значительных компьютерных ресурсов и не может быть использована для оценки влияния верхней атмосферы на озонный слой и тропосферу на климатических масштабах времени. Для исследования этих процессов планировалось применение более эффективной модели циркуляции атмосферы INM с верхней границей на высотах около 90 км после включения в модель интерактивной химии озонного слоя. В отчетном году была разработана и протестирована модель INM-SOCOL объединяющая модель INM с модулем расчета фотолиза и химических преобразований из химико-климатической модели SOCOL. Проведенные тесты показали успешные результаты моделирования озона, радикалов и газов-источников. Модель будет использована самостоятельно и в комплексе с EAGLE для исследования влияния солнечной активности и космической погоды на озонный слой и климат. Для проведения запланированных на следующий год исследований с моделями EAGLE, INM-SOCOL и ГСМ ТИП в отчетный период были разработаны методы и сценарии включения внешних воздействий таких как: 1) внезапное стратосферное потепление; 2) геомагнитная буря; 3) солнечная вспышка; 4) солнечное протонное событие и высыпание энергетических электронов; 5) метеорологический шторм. Предварительное исследование некоторых типов внешних воздействий было проведено с использованием модели ГСМ ТИП. Сценарии внезапных стратосферных потеплений в виде температуры, плотности и нейтрального ветра с часовым разрешением по времени на уровне 80 км для использования в качестве граничных условий в ГСМ ТИП были подготовлены с помощью моделей HAMMONIA и INM-RAS. Результаты расчетов отклика ионосферных параметров на стратосферное потепление показали уменьшение foF2 и TEC после стратосферного потепления, что качественно согласуется с данными наблюдений. Однако, рассчитанная амплитуда этих изменений значительно меньше наблюдаемой, что возможно говорит о недостаточности задания возмущения только на нижней границе модели ГСМ ТИП и требует использования в дальнейшем модели EAGLE. На основании разработанных сценариев были также исследованы эффекты геомагнитных бурь с использованием модели ГСМ ТИП, которые показали, что на фазе восстановления геомагнитной бури в средних и низких широтах днем формируются положительные возмущения foF2 из-за увеличения отношения n(O)/n(N2). Одновременное появление положительных возмущений foF2 и отрицательных возмущений TEC на фазе восстановления связано с недозаполненностью плазменных трубок и охлаждением электронов. Проведенные исследования представлены в 6 опубликованных статьях и 5 статьях, направленных в печать или подготовленных к печати.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Отчетный год был посвящен дальнейшему совершенствованию и использованию модели EAGLE (Entire Atmosphere GLobal Model), позволяющей интерактивно рассчитывать состояние тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и системы ионосфера-плазмосфера и их реакцию на различные естественные и антропогенные воздействия. Используя разработанные и усовершенствованные сценарии внешних воздействий был рассчитан отклик атмосферы на проявления солнечной активности (солнечные протонные события, солнечные вспышки, выпадения энергичных частиц, геомагнитны возмущения) и метеорологические возмущения (внезапные стратосферные потепления, источники локального нагрева). Влияние солнечных протонных событий анализировалось на примере мощного события январе 2005. Модельные расчеты показали существенное увеличение концентраций активных радикалов азота и водорода во время события, сопровождающееся интенсивным разрушением озона в мезосфере и верхней стратосфере северных высоких широт. Существенное влияние солнечные протоны оказали также на концентрацию ионов в высокоширотном ионосферном слое Е. В нескольких модельных реализациях протонное событие привело к появлению мощного внезапного стратосферного потепления. В тропических широтах и в южном полушарии значительного влияния протонов на атмосферу было не обнаружено поскольку вне зоны полярной ночи состав атмосферы контролируется ультрафиолетовой радиацией. Воздействие солнечных вспышек анализировалось на примере вспышек Х и М классов в сентябре 2005 и мае 2010 годов. В отличие от протонных событий влияние солнечных вспышек наиболее заметно в тропиках и летнем полушарии, где солнечная радиация достигает максимума. В этих областях усиление солнечной радиации в диапазоне мягкого рентгеновского излучения привело к удвоению концентраций окислов азота и водорода и значительному росту концентрации ионов в районе мезопаузы. Однако, модельные результаты показали лишь краткосрочное уменьшение озона в этой области. Влияние выпадения энергичных частиц на озонный слой и климат было исследовано с помощью разработанной в прошлом году климатической модели INM, поскольку модель EAGLE не может быть использована для долгосрочных климатических расчетов. Анализ результатов расчетов показал, что увеличение интенсивности высыпания энергичных электронов приводит к изменению циркуляции стратосферы и приземной температуры на территории Европы в холодный период. Этот результат имеет огромное значение, т.к. подтверждает возможность влияния верхней атмосферы на приземный климат по крайней мере в региональном и сезонном масштабе. Важные результаты были также получены по влиянию внезапных стратосферных потеплений на термосферу и ионосферу. Результаты расчетов с использованием модели EAGLE наилучшим образом согласуются со наблюдаемыми среднемесячным высотно-широтным распределением и временным ходом аномалий нейтральной температуры в верхней атмосфере и с низкоширотными возмущениями TEC в американском долготном секторе. Модель EAGLE впервые указывает на падение температуры в нижней тропической термосфере во время события. Этот факт можно будет привлечь для объяснения механизма формирования тех наблюдаемых возмущений электрического поля на низких широтах, которые необходимы для воспроизведения аномального суточного развития экваториальной аномалии во время события. Интересными с теоретической точки зрения представляются результаты предварительного исследования чувствительности ионосферы к изменению напряженности и конфигурации геомагнитного поля. Модельные исследования показали, что уменьшение напряженности магнитного поля ведет к усилению экваториальной аномалии в виде углубления провала на геомагнитном экваторе и смещения гребней аномалии от экватора, ослаблению динамо электрического поля и к усилению скорости вертикального электромагнитного дрейфа на низких широтах. В итоге главный ионосферный провал при уменьшении напряженности магнитного поля смещается к экватору. Наиболее необычные и интересные для интерпретации результаты были получены при задании геомагнитной оси с полюсами на географическом экваторе. В этом случае, экваториальная аномалия формируется в области летнего географического полюса с минимумом в геомагнитном полюсе и гребнями на 15-20 градусах геомагнитной широты. Главный ионосферный провал проявляется в этом случае как в северном, так и в южном геомагнитных полушариях. Значимость полученных изменений предполагает продолжение исследований с использованием полной версии модели для оценки влияния конфигурации геомагнитного поля на нижнюю атмосферу. Проведенные исследования представлены в 8 опубликованных статьях и 5 статьях, направленных в печать или подготовленных к печати.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Отчетный год был посвящен проведению необходимых численных экспериментов и дальнейшему совершенствованию модели EAGLE (Entire Atmosphere GLobal Model), позволяющей рассчитывать состояние тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и системы ионосфера-плазмосфера и их реакцию на различные воздействия. Для улучшения модели в модулях расчета состояния верхней и средней атмосферы были унифицированы входные параметры модели, такие как потоки солнечного излучения, скорости ионизации энергичными частицами, ионное торможение и джоулев нагрев. Анализ качества модели проводился путем сравнения с данными наблюдений нейтральной температуры и содержания оксида азота инструментом MIPAS на спутнике ENVISAT; отношения атомарного кислорода к молекулярному азоту в термосфере по данным инструмента GUVI на спутнике SABER; содержания озона инструментом MLS на спутнике EOS AURA; полного электронного содержания по GPS/ГЛОНАСС наблюдениям; изменчивости ионосферы с помощью ионозондов в Калининграде и Иркутске. Проведенные сопоставления данных наблюдений с результатами моделирования демонстрируют надежную работу модели. Была продолжена работа с предназначенной для длительных экспериментов химико-климатической моделью INM-RAS-RSHU. Базовая версия с верхней границей на 90 км была использована для расчета влияния энергичных частиц на озонный слой и климат. Новая версия с верхней границей на 120 км была протестирована и подготовлена к будущему использованию. В отчетный период был проведен углубленный анализ модельных расчетов и данных наблюдений для идентификации доминирующих факторов воздействия на систему термосфера-ионосфера, физических механизмов формирования ионосферных аномалий в период внезапных стратосферных потеплений и оценки важности взаимосвязи атмосферных слоев. Для выявления степени важности различных факторов, связанных с солнечной, геомагнитной и метеорологической активностью было использовано сравнение результатов моделирования изменений глобального электронного содержания в периоды сильной геомагнитной бури в марте 2015 года, внезапного стратосферного потепления в январе 2009 года, солнечного протонного события в январе 2005, солнечной вспышки класса Х-17 в сентябре 2005 года и возмущений генерируемых метеорологическими штормами. Показано, что сильная геомагнитная буря может приводить к изменениям глобального электронного содержания на 30-50% относительно спокойных фоновых значений. Это превосходит эффект стратосферных потеплений и солнечных протонных событий в глобальном масштабе, хотя в некоторых районах влияние солнечных протонов и перестройки стратосферной циркуляции на полное электронное содержание (TEC) может достигать сопоставимых величин. Также можно отметить, что все указанные факторы приводят к существенным изменениям суточного хода глобального электронного содержания и соответственно воздействуют на его краткосрочную изменчивость. Согласно результатам модельных экспериментов увеличение солнечной радиации во время солнечных вспышек и локальные метеорологические шторма влияют на ионосферу в меньшем масштабе и на меньшем временном интервале. Таким образом, доминирующим возмущающим фактором в глобальном масштабе, влияющим на состояние ионосферы, являются геомагнитные бури. Область влияния протонных событий и стратосферных потеплений может достигать значительных масштабов, но частота появления этих событий не велика (порядка 1 события за 2 года). Показано, что в период внезапного стратосферного потепления имеет место усиление планетарной и приливной волновой активности в нижней термосфере. Основными источниками возмущений зонального электрического поля при этом являются суточная и полусуточная компоненты приливных вариаций. Анализ результатов модели EAGLE и данных наблюдений, позволил нам выявить охлаждение в тропической нижней термосфере, вызванное стратосферным потеплением. Впервые был сделан вывод о том, что максимальное охлаждение происходит в нижней термосфере. Показано, что температурные возмущения в нижней термосфере во время потепления существенно влияют на термосферные ветра, которые являются важным фактором для формирования возмущений динамо электрического поля. Также нами был выявлен вклад возмущения ионосферной проводимости в формирование отклика электрического поля на стратосферное потепление. Таким образом, охлаждение в нижней термосфере во время стратосферного потепления воздействует на зональное электрическое поле вблизи экватора, что в целом приводит к изменению вертикального дрейфа плазмы. Связность процессов в средней и верхней атмосфере была исследована с помощью сравнения результатов расчетов моделей ГСМ ТИП и EAGLE. В модели ГСМ ТИП влияние средней атмосферы учитывается только через задание граничных условий на нижней границе модели (80 км), тогда как в модели EAGLE верхняя и средняя атмосферы полностью связаны. Сравнение результатов показало, что EAGLE лучше воспроизводит суточную и долготную структуру ионосферы и электрического поля в спокойных условиях и особенности динамики термосферы и ионосферы в периоды внезапного стратосферного потепления. Модель EAGLE воспроизводит значительное усиление полусуточной солнечно-мигрирующей компоненты термосферного прилива и вариаций электронной концентрации в приэкваториальной области в период внезапного стратосферного потепления 2009 года, отмечавшиеся как в наблюдениях, так и в результатах моделирования. Связанность процессов также важна для корректного моделирования изменчивости состояния ионосферы на среднеширотных станциях. Анализ проведенных экспериментов показал, что модель EAGLE воспроизводит наблюдаемую вариативность ионосферы над Калининградом и Иркутском, тогда как модель ГСМ ТИП ее недооценивает. Таким образом, улучшенная вертикальная связанность процессов в модели EAGLE позволяет исследовать влияние атмосферной изменчивости на ионосферу и электрическое поле в при-экваториальной ионосфере. Меньшую роль играет вертикальная связанность в случае исследования влияния протонных событий и увеличения солнечной радиации во время солнечных вспышек, поскольку изменения циркуляции и волновых процессов в средней атмосфере не велики. Полученные результаты представлены в 9 опубликованных статьях и одной книге.