Диссертация (1102264), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Как известно, припостановке задачи математического моделирования плазмы, важную рольиграет характерный масштаб процессов, представляющих интерес в рамкахконкретной задачи. Выбор той или иной математической модели, происходитв зависимости от характерных масштабов исследуемого явления. Задачи,связанныесмониторингомсостоянияионосферыипрактическимиприложениями носят глобальный характер.
Следовательно, математическая17модель ионосферы должна охватывать максимально возможное широтнодолготное покрытие и иметь диапазон высот не менее 200-600 км.Также, модель ионосферы в нынешнем понимании может представлятьсобой статистическое усреднение большого количества экспериментальнойинформации. Одной из наиболее часто используемых эмпирических моделейявляется модель international reference ionosphere (IRI) [29,30,31], построеннаяна статистической обработке большого количества измерений и способнаярассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше.ПроектпосозданиюиусовершенствованиюмоделиIRIявляетсямеждународным и спонсируется такими организациями, как Комитет покосмическим исследованиям COSPAR [32] и Международный совет пораспространению радиоволн URSI [33].
Модель IRI представляет собойобобщение большого объема экспериментальных наблюдений ионосферы, какспутниковых, так и наземных. Основными источниками данных для моделиIRI являются (в том числе и перечисленные выше): глобальная сеть ионозондов; мощныерадарынекогерентногорассеяния(находятсянаДжикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и СанСантине); а также спутниковые зонды ISIS и Alouette; точечные измерения с нескольких спутников и ракет.МодельIRIрегулярнообновляется,споявлениемновыхэкспериментальных данных. Эта модель также была в 2009 году принятаМеждународнойорганизациейпостандартизации(ISO)[34]замеждународный стандарт TS16457.Эмпирические модели являются полезным справочным источникоминформации об ионосфере и широко используются в инженерныхпрактических применениях.
Обзор таких применений дан в работе [35].Эмпирические модели просты для практических приложений и не требуютбольших компьютерных ресурсов, однако они имеют ряд существенных18недостатков.Эмпирическиемодели,какправило,отражаюттолькоклиматологию изменения той или иной ионосферной характеристики. Такиемодели обладают весьма ограниченными прогностическими возможностями[36].Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, являетсятак называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит вкорректировке физической модели ионосферы с помощью оперативнополучаемых экспериментальных данных.
Обычная модель ионосферы,основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всегодиапазона факторов, влияющих на состоянии плазмы. Это связано с тем, чтонекоторыенеобходимыедляэтоговеличинысложноизмеритьэкспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождениесквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошоизученных факторов, таких, например, как солнечная активность, труднопредсказать.В связи с этим, модель, способная обеспечить высокую точностьописания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реальноговремени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы.Данные, которые могут быть использованы при таком подходе, должны бытьдоступны и актуальны (оперативно обновляемы).Одним из важнейших источников данных, отвечающих такого родатребованиям, является сеть наземных приемников навигационного сигналаспутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС.
По данным ораспространении спутникового навигационного сигнала можно вычислитьполное содержание электронов вдоль его траектории.Данные ГНСС с различными временными задержками собираются иархивируются в нескольких зарубежных центрах, например, таких как SOPAC(Scripps Orbit and Permanent Array Centre) [37]. В настоящей работе для целейразработки технологии мониторинга состояния ионосферы осуществлялсясбор и архивирования данных ГНСС от сетей навигационных приемников19ООО «НАВГЕОКОМ» [38], Геофизической службы РАН [39], ведомственныхсетей навигационных приемников ФБГУ ИПГ [40], ФБГУ ЦАО [41], ИСЗФРАН [42] и других образовательных и исследовательских учреждений. Однаиз наиболее крупных сетей, насчитывающая на сегодняшний день около 100станций ГНСС, является сеть, созданная ФБГУ ИПГ [43].
В диссертационнойработе была апробирована технология усвоения этих данных для мониторингасостояния ионосферы над территорией РФ.1.4 ВыводыПо результатам анализа имеющихся инструментальных и теоретическихметодов исследования и мониторинга состояния ионосферы технологияассимиляции данных является одной из актуальных, отвечающих практическивсем необходимым условиям для осуществления мониторинга состоянияионосферы.
Одним из важнейших источников экспериментальных данных дляэтой технологии является сеть наземных приемников навигационного сигналаспутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС. Эти данные отвечаюттребованиям глобальности и оперативности сбора информации о состоянииионосферы.202. Глава2.ОписаниеассимиляционноймоделиионосферыВ предыдущей главе был рассмотрен ряд методов, разработанных дляоценки состояния ионосферы и прогнозирования ее изменений. Однако,несмотря на точность и оперативность спутниковой информации, а также наполноту описания ионосферы физически обоснованными моделями, ни одиниз этих инструментов обособленно не может в полной мере обеспечитьрешение задачи мониторинга текущего состояния ионосферы и разработать наэтой основе надежный краткосрочный прогноз изменений этого состояния.
трСистема состоит из двух основных блоков: физически обоснованнойтеоретической численной модели ионосферы и ассимиляционного модуля,корректирующего результаты модельных расчетов с помощью массивовэкспериментальныхданныхополномсодержанииэлектронов.Ассимиляционная модель ионосферы реализована в программном комплексена сервере ЦАО и позволяет в режиме квази-реального времени проводитьчисленные расчеты основных параметров ионосферы для Северного иЮжного полушарий.2.1.ФизическиобоснованнаятеоретическаячисленнаямодельионосферыФизически обоснованная модель является основой системы оценкисостояния ионосферы.
Поведение плазмы в ней описывается с помощьюуравнений гидродинамики. Искомыми величинами в этих уравненияхявляются скорости, температуры и концентрации электронов и семи основныхтипов ионов, а именно: H+, He+, O+, O2+, NO+, N+, N2+. Уравненияфизически обоснованной модели ионосферы решаются вдоль силовых линийгеомагнитного поля, в первом приближении представляющими собой диполь.Как известно, при постановке задачи математического моделированияплазмы,важнуюрольиграетхарактерный21масштабпроцессов,представляющих интерес в рамках конкретной задачи. Выбор той или инойматематической модели, происходит в зависимости от характерныхмасштабов исследуемого явления. Задачи, связанные с мониторингомсостояния ионосферы и практическими приложениями носят глобальныйхарактер.
Следовательно, математическая модель ионосферы должнаохватывать максимально возможное широтно-долготное покрытие и областьвысот до 600 -800 км. Существенное влияние на ионосферу оказывают такжеи внешние по отношению к ней факторы: нейтральные составляющиеатмосферы Земли, электромагнитные поля, солнечное излучение и возможныеантропогенные воздействия. Так, например, распределение характеристикзаряженных частиц в нижних слоях ионосферы во многом зависит от текущейдинамики нейтральных компонент атмосферы.
Тот факт, что ионосферунельзя рассматривать в отрыве от связанных с ней областей околоземногопространства, существенно усложняет построение ее самосогласованнойматематической модели. Несмотря на это, модель должна учитывать иадекватно описывать те физическо-химические факторы, которые оказываютнаионосферуключевоевлияние.Многолетниеиобширныеэкспериментальные и теоретические исследования ионосферы создалидостаточно хорошую научную основу для построения математической моделиее состояния [45].В качестве базовой физически обоснованной теоретической численноймодели ионосферы модели нами была выбрана модель, опубликованная вработе [46]. Уравнения, используемые в модели ионосферы [47], описываютвсе основные процессы, влияющие на ее формирование и распределение ееосновных параметров.
При моделировании ионосферы необходимо учитыватьтрехмерный характер переноса плазмы. В высоких широтах почтивертикальные продольные (вдоль вектора напряженности магнитного поля, В)движениясопровождаютсягоризонтальнымпереносомпоперекВ,обусловленным электромагнитным дрейфом, скорость которого может бытьвесьма велика, особенно в периоды возмущений. В низких широтах (вблизи22магнитного экватора) электромагнитный дрейф близок к вертикальному, апродольные движения почти горизонтальны; оба вида движений существенновлияют на распределение ионосферной плазмы.Учет эффектов трехмерности для замагниченных частиц удобноосуществлять путем использования лагранжевого подхода применительно кпоперечным относительно В движениям плазмы.Используя представление вектора ионной скорости в виде двухкомпонент (продольной и поперечной магнитному полю): = ǁ + ⊥(2.1)в уравнении непрерывности для ионов+ ( ) = − (2.2)+ ǁ ( ǁ ) + ⊥ ( ⊥ ) = − (2.3)получимгде - концентрация, - скорость ионов, - слагаемое, определяющееисточники ионов данного типа, - член, описывающий потери вконцентрации данного типа ионов за счет рекомбинации и обмена зарядом.Выражение (2.3) представимо в виде:+ (⊥ ∙ ⊥ ) + ǁ ( ǁ ) + ⊥ ⊥ = − (2.4)Два первых члена в (4) представляют собой лагранжеву производную от по времени вдоль траекторий ЕхВ-дрейфа, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
