Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках работ по повышению быстродействия модели всей атмосферы EAGLE, основанной на объединении моделей HAMMONIA и ГСМ ТИП, в 2021 г. выполнена оптимизация кода ГСМ ТИП, которая увеличила быстродействие модели более чем в два раза. Также оптимизирован блок подготовки данных для передачи полей из HAMMONIA в ГСМ ТИП, что позволило повысить быстродействие модели EAGLE на ~20%. Изучены теоретическое описание и программная реализация схемы параметризации внутренних гравитационных волн Хайнса, применяемые в модели EAGLE. Определены ключевые проблемы, связанные с использованием данной параметризации в рамках проекта: параметризация плохо воспроизводит процессы, связанные с распространением волн из тропосферы на высотах более 100 км; невозможность задавать вариативный спектр волн. Предложено включить в модель другую параметризацию атмосферных волн. Были осуществлены установка и тестирование модели Глобальной Электрической Цепи (ГЭЦ) на сервере в КФ ИЗМИРАН. Данная версия модели ГЭЦ описывает ионосферный потенциал, источником которого являются токи, текущие из областей грозовой активности в ионосферу и токи хорошей погоды. Расчет ионосферного потенциала осуществляется с использованием педерсеновской и холловской проводимостей ионосферы, которые в первоначально рассчитывались на основе эмпирических моделей IRI и MSIS. Модель ГЭЦ в виде отдельного программного блока была включена в модель ГСМ ТИП, в результате чего создана Глобальная Самосогласованная Модель Термосферы, Ионосферы, Протоносферы и Атмосферного Электричества (ГСМ ТИПАЭ). В этой модели самосогласованным образом рассчитываются параметры термосферы и ионосферы, холловская и педерсеновская проводимости и ионосферный потенциал, генерируемый ГЭЦ. Этот потенциал добавляется к электрическому потенциалу магнитосферного и ионосферного происхождения, рассчитываемому в модели ГСМ ТИП. На основании результатов расчетов модели ГСМ ТИПАЭ с учетом и без учета электрического потенциала, генерируемого ГЭЦ, показано, что эффекты ГЭЦ максимально влияют на ионосферу в весенние и осенние сезоны в неосвещенное время суток в 24 UT. Вклад ГЭЦ в ионосферные параметры в климатическом смысле может достигать 2-8%. Рост солнечной и геомагнитной активности уменьшает относительный вклад ГЭЦ в ионосферные параметры. На основании анализа индексов солнечной и геомагнитной активности, спутниковых данных и результатов реанализа были отобраны сложные события космической погоды, включающие несколько возмущений различной природы. Для всех выбранных событий подготовлены необходимые наборы входных параметров модели EAGLE в виде временных рядов: (1) потоков солнечного УФ излучения и индекса солнечной активности F10.7; (2) метеорологических параметров в нижних слоях атмосферы; (3) индексов геомагнитной активности; (4) атмосферной ионизации производимой высокоэнергичными высыпающимися частицами. Также для отобранных событий для сравнения с результатами модельных экспериментов были скачены и подготовлены в необходимом формате: вариации температуры в MLT регионе, отношения O/N2 и скорости ветра по данным спутниковой миссии TIMED; глобальные карты Полного Электронного Содержания (ПЭС) и рассчитанное на их основе Глобальное Электронное Содержание (ГЭС). Нами был проведен анализ вариативности foF2 над станциями Иркутск и Калининград по данным наблюдений и результатам расчетов на моделях EAGLE и ГСМ ТИП в январе 2009 года. Сравнение результатов двух моделей позволило сделать вывод о том, что для воспроизведения интенсивности вариабельности foF2 на средних широтах необходимо и достаточно учитывать атмосферно-ионосферное взаимодействие. Данный вывод относится к январю 2009 года, когда солнечная активность была низкой, а изменения геомагнитной активности были незначительными. Для исследования глобального ионосферного отклика на сложное явление космической погоды в период с 3 по 11 сентября 2017 года нами были рассмотрены рассчитанные в модели ГСМ ТИП временные вариации ГЭС. На основании результатов расчетов и данных спутника GOES сделано предположение, что не воспроизведенные увеличения ГЭС могут быть связаны с наблюдавшимися, но не учтенными в ГСМ ТИП протонными высыпаниями солнечного и магнитосферного происхождения. С использованием модели EAGLE было проведено 8 ансамблевых расчетов для спокойных и возмущенных условий для изучения влияния солнечных протонных событий (СПС) и высыпаний магнитосферных протонов на поведение параметров системы атмосфера-ионосфера в январе 2005 года. В ансамблевых расчетах начальные условия полей температур на высотах 0—90 км случайным образом менялись на 1—2 K. Возмущенные условия отличались от спокойных заданием ионизации протонными высыпаниями, которая менялась каждые 2 часа согласно модели AIMOS. Было показано, что значения шума (СКО), вызванного атмосферно-ионосферными связями, в возмущениях ПЭС близки к нулю в высоких широтах, и максимальны в низкоширотной и экваториальной области. Отмечается, что в высоких широтах северного полушария в ПЭС формируется значимый положительный эффект от протонных высыпаний. На средних и низких широтах возмущения ПЭС с отношением сигнал-шум больше 1, связанные с протонными высыпаниями, также формируются, но не во все дни. Осуществлена подготовка входных данных и численные эксперименты на модели EAGLE по образования окислов азота для нескольких событий усиления высыпаний высокоэнергичных протонов и электронов из магнитосферы в атмосферу. Показано, что: вклад нисходящего переноса NO, образующегося в авроральной области термосферы может достигать 50%; вклад солнечных и магнитосферных протонов не превышает 20%. Для изучения особенностей распространения атмосферных волн от тропосферных конвективных источников с применением модели нейтральной атмосферы AtmoSym был произведен подбор различных по масштабу метеорологических событий. Для выбранных событий доступны либо экспериментальные данные микробарографов о вариациях давления у поверхности Земли, либо данные лидарного зондирования. Для выбранного события в Калининградском регионе 1 апреля 2016 года проведен анализ наблюдений, выполненных с применением методов лидарного зондирования на высотах тропосферы и спутникового зондирования ПЭС. Для этого события также как и для события 17–18 июля 2016 года в Москве проведен численный расчет изменений термосферных параметров в результате распространения атмосферных волн на модели с высоким пространственно-временным разрешением AtmoSym. Установлено, что при вертикальном распространении атмосферных волн из тропосферы наблюдается заметное увеличение периода температурных возмущений с 6–12 мин до 10–17 мин на высотах термосферы. При анализе ураганов в Японии и Москве в 2017 году определены пространственные масштабы и характерные особенности возмущений в приземной атмосфере для задания источника волн в дальнейших численных расчетах на модели AtmoSym. Определены спектральные характеристики возмущений на разных высотах. Выполнены работы по развитию методов анализа и сравнения экспериментальных данных и результатов модельных расчетов. Так, с помощью корреляционного анализа вариаций ПЭС для четырех сезонов 2009 и 2015 гг. исследовалась сезонная изменчивость статистической связи между магнитосопряженными точками ионосферы. С помощью данного подхода были выделены области значимой корреляции, пространственные размеры которых больше в год высокой солнечной активности. Отмечено также преобладание сильных корреляционных связей осенью над другими сезонами. Аналогичный анализ для сильной геомагнитной бури в марте 2015 г. показал, что во время геомагнитной бури появляются обширные высокоширотные области значимой корреляции вариаций ПЭС в магнитосопряженных точках.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Нами продолжены численные эксперименты на модели всей атмосферы EAGLE. Были подготовлены входные данные и выполнены длительные расчеты для периода январь — март 2015 г., который описывает переход от зимних условий к весеннему равноденствию. Март 2015 характеризуется комплексным явлением космической погоды, включающим геомагнитную бурю и высыпания энергичных частиц. Была проведена серия численных экспериментов, которые отличались различным заданием высыпаний энергичных частиц. Показано, что в первый день геомагнитной бури (17 марта) ионизация за счет протонных высыпаний сопоставима с электронными высыпаниями. Увеличение концентрации NO достигает максимума ~600% 19 марта в северном полушарии, и 450% - в южном, что связано с асимметрией сезонной перестройки. Выявлено устойчивое (около 4%) повышение плотности нейтрального газа на высоте 500 км в марте 2015 в экваториальной зоне, которое может сказаться на торможение спутников. В одном из сценариев была осуществлена передача скоростей Джоулева нагрева из модуля ГСМ ТИП в модуль HAMMONIA модели EAGLE. Таким образом, осуществлена первая реализация модели EAGLE, в которой система термосфера-ионосфера может оказывать влияние на нижележащую мезосферу. С помощью модели EAGLE и ансамблевого подхода была проведена оценка значимости ионосферного отклика на усиление потоков солнечных и магнитосферных протонов. В ансамблевых расчетах начальные условия полей температур на высотах 0-90 км случайным образом менялось на 1 – 2 K. Анализ полученных результатов показал, что внутренняя атмосферная изменчивость не маскирует возмущения полного электронного содержания (ПЭС), связанные с высыпаниями протонов, в высоких широтах, и максимально маскирует возмущения ПЭС в низкоширотной области. В высоких широтах северного полушария в ПЭС формируется статистически значимый положительный эффект от протонных высыпаний. На средних и низких широтах значимые возмущения ПЭС, связанные с протонными высыпаниями, формируются только во время событий. Были продолжены работы по включению модели Глобальной Электрической Цепи (ГЭЦ) в виде отдельного программного блока в модель EAGLE. Для этого на каждом шаге по времени производится расчет проинтегрированных вдоль силовых линий геомагнитного поля проводимостей ионосферы. Рассчитанные проводимости передаются в блок расчета ГЭЦ, на выходе которого мы получаем электрический потенциал, генерируемый ГЭЦ на ионосферных высотах. Полученный потенциал добавляется к электрическому потенциалу магнитосферного и ионосферного происхождения, рассчитываемому в модели EAGLE. Мы исследовали UT-вариацию ионосферного экваториального электрического поля на основе результатов расчетов модели всей атмосферы EAGLE без учета влияния ГЭЦ на ионосферный электрический потенциал. Продемонстрировано наличие связи кривой Карнеги с UT-вариацией ионосферного динамо электрического поля. Была рассмотрена общая задача о генерации акустических и внутренних гравитационных волн в изотермической атмосфере локальным источником тепла на тропосферных высотах. На основании полученных результатов было предложено рассчитывать приток тепла волнами во время выбранного метеорологического явления, на основе результатов расчетов на модели AtmoSym и учитывать этот приток как дополнительный источник тепла в модели EAGLE. Было проведено численное моделирование распространения атмосферных волн в период урагана в Московском регионе 29 мая 2017 с применением трехмерной версии численной модели AtmoSym. Метеорологический источник задавался на основе данных измерений вариаций атмосферного давления на поверхности Земли. Спектральный анализ данных наблюдений показал, что на протяжении всего времени расчета над областью локализации источника на высоте ~300 км присутствуют волновые вариации с различным периодами, включая мелкомасштабные вариации с периодами менее 10 минут. При удалении от источника в горизонтальном направлении на ~ 200 км характерные периоды волновых возмущений составляют 15–30 минут. Часть волн не распространяется выше 300 км, что говорит о их возможном затухании или запирании в термосферном волноводе. Полученные оценки волновых характеристик позволили рассчитать приток тепла, массивы которого подготовлены для добавления в модель EAGLE. Результаты моделирования с применением AtmoSym показали, что при распространении волновых возмущений в направлении термосферного ветра происходит уменьшение амплитуды и увеличении пространственного масштаба волн. Для волн, распространяющихся против ветра, амплитуда увеличивается и уменьшается пространственный масштаб. Этот результат согласуется с экспериментальными результатами наблюдений перемещающихся ионосферных возмущений и указывает на их связь с метеорологическими событиями. Продолжены работы по усовершенствованию модели ГСМ ТИП. Оптимизация программного кода модели позволила увеличить скорость вычислений на ~30%. Было проведено сравнение точности и быстродействия двух численных алгоритмов расчета электрического потенциала. Показано, что совместное использование метода конечных элементов и многосеточного метода Федоренко с предварительным переходом к задаче для специальных потенциалов приводит к значительно более точному и быстрому решению двумерного уравнения электропроводности в ионосфере. На основе результатов модели ГСМ ТИП осуществлена оценка высоты нижнего предела интегрирования n(O)/n(N2) в термосфере по методике обработки данных наблюдений TIMED GUVI для условий изменения солнечной и геомагнитной активности. Показано, что эта высота: варьируется в диапазоне 148–164 км; имеет суточную, сезонную, широтную и долготную вариации; слабо зависит от солнечного излучения и значительно зависит от геомагнитной активности. В модели ГЭЦ был осуществлен учет неоднородности облачного покрова. Для этого в отсутствие облачности проводимость задавалась в соответствии с эмпирической моделью, а при полной облачности уменьшалась в 10 раз. Среднемесячные значения доли облачного слоя были рассчитаны с помощью модели SOCOLv4 для 2008 года. Получено, что сезонные изменения напряженности электрического поля, связанные с облачностью, не превышают 2.5%. Построено пространственное распределение проводимости столба атмосферы, полученное с учетом облачности, средней за январь 2008 г. Эта проводимость определяет плотность вертикального тока из ионосферы в атмосферу (ток хорошей погоды). Для исследования влияния эмиссии радона на проводимость атмосферы было задано взрывное увеличение фоновых значений эмиссий над территорией Японии. Показано существенное увеличение проводимости в нижней атмосфере. Для определения влияния этого процесса на состояние ионосферы необходимо включение полученных результатов в ГЭЦ. Метеорологический отклик на флуктуации межпланетного магнитного поля (ММП), известен как эффект Мансурова. Мы исследовали эффект Мансурова за период 1999–2002 гг. на основе ансамблевых экспериментов с использованием модели SOCOLv3. Используя наблюдаемый IMF By, мы рассчитали его влияние на давление и температуру воздуха, чтобы изучить одну из предложенных гипотез о связи ГЭЦ и облаков. Показано, что мы не можем подтвердить гипотезу о том, что скорость слияния облачных капель является промежуточным звеном для связи ММП By с погодой. Проведен корреляционный анализ вариаций полного электронного содержания в период марта 2015 г. Показано, что во время геомагнитной бури появляются обширные высокоширотные области, в которых значения коэффициентов корреляции в магнитосопряженных точках превышают 0.75. Подтвержден вывод о том, что одной из основных причин межполушарной асимметрии ПЭС во время бури является изменение нейтрального состава. Анализ данных иркутского и калининградского ионозондов показал, что экстремальные ионосферные возмущения представляют собой ночное явления, возникающее с конца октября по начало марта. Рекуррентные геомагнитные бури можно рассматривать как основную причину экстремальных ионосферных явлений в Иркутске; в то время как основная причина экстремальных ионосферных событий в Калининграде не ясна.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведены и проанализированы численные эксперименты для следующих периодов: март 2015 г., май 2017 г., январь 2005 г. и сентябрь 2017 г., включающих два или более явлений в атмосфере и/или космической погоды. Для геомагнитной бури в марте 2015 года исследована долготная зависимость отклика ионосферы на геомагнитные бури. Показано, что наибольший положительный эффект в ПЭС на главной фазе бури формируется в американском долготном секторе, тогда как эффекты последействия максимальны в азиатском и тихоокеанском секторах. Также для геомагнитной бури в марте 2015 года на модели EAGLE выполнены расчеты с учетом и без учета атмосферной изменчивости. Показано, что учет атмосферной изменчивости в период финального стратосферного потепления в марте 2015 года приводит к усилению отрицательных возмущений электронной концентрации на средних широтах, что приближает модельные возмущения к наблюдаемым. Также анализ результатов модели EAGLE показал, что во время геомагнитной бури происходит значительный рост концентрации n(NO) (вплоть до порядка величины). Область повышенных значений NO расширяется вверх и вниз, но высота максимума при этом остается на высоте ~ 95 км, в отличие от данных наблюдений, в которых максимум n(NO) может опускаться ниже 90 км. На модели ГСМ ТИП проведены расчеты с учетом и без учета эффектов протонных высыпаний в период геомагнитной бури и солнечного протонного события 3-12 сентября 2017 г. Исследована роль высыпаний энергичных частиц в формировании термосферных приливов для периода 3–12 сентября 2017 г. Показано, что во время геомагнитной бури амплитуда суточных (DW) и полусуточных (SW) приливов увеличивается на всех высотах при большем усилении немигрирующих компонент. Анализ модельных и наблюдаемых карт ПЭС показал хорошее согласие результатов моделирования с данными наблюдений в высоких и средних широтах. Возмущения ПЭС хуже всего воспроизводятся в результатах моделирования на низких широтах из-за неучета в расчетах атмосферно-ионосферных связей. Согласно результатам моделирования событий января 2005 г. и сентября 2017 г. солнечные протонные события и высыпаниями протонов из магнитосферы приводят к положительным возмущениям Глобального Электронного Содержания. Для события января 2005 года проанализированы ансамблевые расчеты на модели EAGLE, в которых произведен учет изменений ионосферного отклика на протонные высыпания, связанного с изменениями параметров в нижней и средней атмосфере в диапазоне высот от 0 до 90 км. Мы статистически подтвердили, что высыпания протонов вызывают значительное увеличение ПЭС на низких и высоких широтах. На низких широтах положительные возмущения ПЭС связаны с увеличением термосферного O/N2, тогда как в высоких широтах положительный эффект в ПЭС связан как с ионизацией высыпающимися протонами, так и с увеличением температуры электронов. Также показано, что внутренняя атмосферная изменчивость может сильно маскировать ионосферный отклик на события космической погоды. На основании полученных результатов моделирования AtmoSym для урагана в мае 2017 года был рассчитан приток тепла, обусловленный распространением атмосферных волн из тропосферы в исследуемый период. Полученные распределения притока тепла были проинтегрированы по пространству в соответствии с масштабами сетки крупномасштабной модели ГСМ ТИП. Дополнительный нагрев от распространяющихся атмосферных волн, полученный по результатам модели AtmoSym, был добавлен в уравнение теплового баланса нейтрального газа модели ГСМ ТИП. Показано, что распространение атмосферных волн из нижней атмосферы может приводить к формированию возмущений термосферы непосредственно над областью метеорологического шторма, которые влияют на циркуляцию термосферы и электродинамические процессы. Ураган в Московской области 29 мая 2017 наблюдался на фазе восстановления геомагнитной бури, основная фаза которой пришлась на 27-28 мая 2017 года. Было проведено 4 численных эксперимента с применением модели ГСМ ТИП: расчеты с и без учета изменений геомагнитной активности с и без включения источника в виде притока тепла за счет распространения атмосферных волн от тропосферного источника, связанного со шквалом..Показано, что распространение атмосферных волн от конвективных источников усиливает на ~7% отрицательный эффект геомагнитной бури в foF2 на субавроральных широтах северного полушария. На основе моделирования рассмотрено влияние облачности на проводимость в атмосфере и на другие элементы ГЭЦ. Среднемесячные характеристики поля облачности были рассчитаны с помощью модели земной системы SOCOLv4 для 2008 года. Показано, что в типичных условиях внегрозовая облачность увеличивает полное сопротивление атмосферы в полтора раза, а его сезонные изменения не превышают ±2,5%. Сезонные вариации среднемесячных значений напряженности поля хорошей погоды в течение года составляют 20%, что на порядок превышает полученную сезонную вариацию полного сопротивления атмосферы, обусловленную облачностью. Тем не менее, анализируемое здесь влияние облачности на проводимость атмосферы необходимо учитывать в моделях ГЭЦ, поскольку оно существенно влияет на планетарное распределение атмосферных токов и порождаемых ими ионосферных электрических полей. Экспериментально обнаружить ионосферную часть ГЭЦ (ее грозовой составляющей) проблематично из-за наличия полей другой природы. Мы проанализировали изменение электрического поля в атмосфере и в ионосфере за счет повышения эманации радона, которое приводит к увеличению проводимости в приземном слое воздуха. Это увеличение мы рассчитали с помощью модели химии и климата SOCOLv2.0. На втором этапе мы решили задачу электропроводности в атмосфере с увеличенной проводимостью и получили изменение электрического тока из атмосферы в ионосферу. Напряженность полученного поля (46 пВ/м) на пять порядков меньше обычно существующего в среднеширотной ночной ионосфере поля (несколько мВ/м). Важно отметить, что возмущения электрических полей на несколько мВ/м иногда рассматриваемых как предвестники землетрясений. Таким образом, мы не видим возможности объяснить ионосферные предвестники землетрясений увеличением атмосферной проводимости за счет выбросов радона. Согласно данным об атмосферном электрическом поле хорошей погоды, полученным во время круиза VII миссии Карнеги максимум поля наблюдается около 18 часов в январе. Для этого момента времени создана модель ионосферной части глобальной электрической цепи, связанной с грозами. Показано, что дневные и ночные токовые системы на средних и экваториальных широтах (с силой тока до 120 А) создают магнитные возмущения на земле в диапазоне 0.1 нТл. В принципе, эти магнитные возмущения можно было бы измерить на геомагнитном экваторе ночью, когда они не замаскированы сильными электроструями, порождаемыми всеми ионосферными и магнитосферными генераторами. На основе результатов модели ГСМ ТИП и ГЭЦ дана оценка влияния солнечной и геомагнитной активности на ионосферную часть глобальной электрической цепи для различных сезонов и моментов времени UT. Учет вклада ионосферной части ГЭЦ в \электрический потенциал модели ГСМ ТИП позволил показать, что эффекты ГЭЦ оказывают максимальное воздействие на ионосферу в 24 UT в неосвещенное время суток в весенние и осенние сезоны. Усиление солнечной активности отрицательным образом влияет на относительный вклад ГЭЦ в ионосферные параметры. Показана важная роль геомагнитных бурь при рассмотрении эффектов ГЭЦ. В рамках квазистационарной модели проводника, состоящего из атмосферы и ионосферы, нами рассчитаны ионосферное электрическое поле в период главной фазы геомагнитной бури 17 марта 2015 года. При этом для описания магнитосферного источника электрического поля использованы спутниковые данные о глобальном распределении продольных токов между магнитосферой и ионосферой. Получено, что учет вариаций ионосферного электрического поля при расчете атмосферного электрического поля позволяет воспроизвести наблюдаемые в Геофизической обсерватории «Борок» возмущения электрического поля хорошей погоды сопоставимые по масштабу с полем хорошей погоды.