Численное моделирование генерации акустико-гравитационных волн и ионосферных возмущений от наземных и атмосферных источников (1105201), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Результаты моделирования вариаций полного электронного содержания в разныхнаправлениях в возмущенной ионосфере, для разного рода источников.6. Кривые чувствительности (отклика) нейтральной атмосферы на наземныеисточники с разными периодами.7. Результаты трехмерного моделирования возмущений нейтральной атмосферы отназемных источников.5Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит ___ страниц текста,___ рисунков.Краткое содержание работы.Во введениисформулированы основные цели и задачи диссертации,представлена актуальность данных исследований и научная новизна, перечисленызащищаемые положения и кратко изложено содержание всех глав диссертации.В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работпо исследованиям АГВ в атмосфере и ионосфере.

Глава состоит из трехпараграфов.Первый параграф посвящен общим свойствам распространения АГВ ватмосфере. Приводятся основные спектральные характеристики АВ и ВГВ,захваченных АГВ, механизмы диссипации волн и т.д. Более энергетическая частьэтих волн – ВГВ играет большую роль в циркуляции атмосферы, и ихпараметризация имеет важное значение в мезомасштабных и глобальных моделяхатмосферы [14].

Кроме того, ВГВ являются одним из основных механизмовпередачи энергии из нижних слоев атмосферы в термосферу.Второй параграф посвящен механизмам генерации АГВ. Источникигенерации могут быть антропогенными или природными. Характеристики АГВтакже зависят от свойств источников. Такие источники, как конвективнаянеустойчивость, сдвиговая неустойчивость, орография, погодные фронты и т.д.постоянно генерируют ВГВ в нижней атмосфере. Такие источники, как сильныеземлетрясения, мощные взрывы, запуски ракет и т.д.

способны генерироватьширокий спектр волн – от высокочастотных инфразвуковых до длиннопериодныхВГВ, которые распространяются на тысячи километров без заметного затухания.В третьем параграфе дан обзор основных экспериментальных работ поизучению проявлений АГВ в ионосфере. Один из основных эффектов АГВ вионосфере - это ПИВ и неустойчивые плазменные образования. С развитиемсредств наблюдения ионосферы стало возможным проведение непрерывногомониторинга ионосферных возмущений.

Конкретный механизм формированияэтих возмущений не до конца ясен.Во второй главе рассмотрено построение численной модели.В первом параграфе представлена система уравнений геофизическойгидродинамики для моделирования распространения АГВ в атмосфере. С этойцелью рассмотрены уравнения гидродинамики в общей форме.

С помощьюизвестных математических преобразований можно получить систему уравненийгидродинамики в эйлеровой форме, удовлетворяющую требованиям нашей задачи:6∂∂∂ρ ′ ∂ρ ′′′[][]uwU()()=−ρ+ρ−ρ+ρ−000 ∂t∂x∂x∂z1 ∂p′ ∂u = −u ∂u − U ∂u − w ∂u − w ∂U 0 − A− A2 χ u01 ∂t∂x∂x∂z∂zρ 0 + ρ ′ ∂xρ′1 ∂p′ ∂w = −u ∂w − U ∂w − w ∂w − A− A3− A2 χ w(1)01 ∂t∂x∂x∂zρ 0 + ρ ′ ∂zρ0 + ρ ′∂ (T0 + T ′) ∂ 2T ′ ∂ 2 T ′  ∂T ′∂T ′∂T ′ ∂u ∂w =−−−−+uUwAA + 5  2 +04 ∂t2 ∂x∂x∂z∂x ∂z xz∂∂ p′ = (ρ 0 T ′ + ρ ′T0 + ρ ′T ′) m0Здесь, первое уравнение – это уравнение неразрывности, второе и третье –уравнения Навье-Стокса, четвертое – уравнение сохранения энергии, и, наконец,последнее – это уравнение состояния идеального газа, ρ – плотность, T –температура, p – давление, U0 – x компонента скорости зонального ветра, m 0 –относительная молекулярная масса воздуха.

Индексами «0» и «′» обозначеныневозмущенные и возмущенные части термодинамических параметров,соответственно. Здесь u и w горизонтальные и вертикальные компоненты скоростидвижения частиц атмосферы, соответственно, A1−5 – постоянные. Для такихотносительно быстрых движений несущественна сила Кориолиса, которая неучитывалась. В данной модели сила вязкости вводится как Рэлеевское трениеrrFd = −αυ , а χ = α ρ - коэффициент трения, который растет с высотой. Призатухании энергии таких больших волновых движений основную роль играеттеплопроводность, т.е. в уравнении для температуры диссипативный член равенQd = k∆T , где k – коэффициент теплопроводности воздуха. Как видно из (1), вслагаемом, относящемся к теплопроводности отсутствует производная второгопорядка от фоновой температуры по высоте.

Это связано тем, что в случае, есливозмущение в атмосфере отсутствует, т.е. все переменные равны нулю, тогда в∂ 2T0решении уравнений будут генерироваться волны из-за того, что≠ 0 . А это с∂z 2физической точки зрения недопустимо. При моделировании использовалисьпрофили фоновой плотности и температуры атмосферы из модели MSISE-90.Значения скорости зонального ветра были взяты из модели HWM-93. Такимобразом, после задания параметров атмосферы и соответствующих начальных играничных условий можно решать систему уравнений (1).Второй параграф посвящен разработке численного алгоритма для решения(1).

При выборе численного метода мы учитывали следующие особенности даннойзадачи:• Решение должно содержать медленные и быстрые волновые движения.• Метод должен быть устойчивым к резким градиентам плотности атмосферы.• Обеспечение устойчивости решения усложняется присутствием нелинейныхкомпонент в уравнениях.• Большой объем вычислений из-за размера области интегрирования идлительности времени распространения волн.7Учитывая все вышеперечисленное, после анализа и сопоставления разныхметодов был выбран явный конечно-разностный метод Flux Corrected Transport[15]. В разработанном нами численном алгоритме используются основные свойстваэтого метода. Суть метода состоит в том, что для обеспечения устойчивостирешения на первом этапе вводится искусcтвенная диффузия, а потом с помощьюантидиффузии минимизируется численная диффузия.

Так как все переменные в (1)могут быть положительными и отрицательными, мы не использовали ограниченияна антидиффузионные слагаемые для обеспечения положительности. Такимобразом, мы освобождаемся от таких проблем, как синхронизация потоков ибольшие затраты на время расчета. Для обеспечения устойчивости и высокойточности мы аппроксимировали конвективные, адвекционные и нелинейныеслагаемые в (1) особыми методами [15]. Для решения двумерной и трехмернойзадачи использовался метод расщепления шага по времени для координатныхнаправлений. Граничные условия состоят из двух частей: первая частьобеспечивает вход возмущения от источника в данную модель, вторая часть - уходволны из расчетной области.

Начальные условия предполагались нулевыми.В третьем параграфе приведен вывод формулы для вычисления измененияэлектронной концентрации в плоскопараллельной ионосфере, вследствиестолкновений с нейтральными частицами во время прохождения АГВ. Эта формулаполучена из уравнении неразрывности для заряженных частиц [3]:dN∆ N e ( x, z , t ) = − edztt∫ (b b u + b w)dτ − N ∫  bxz2zet0t02x∂u ∂u ∂w  2 ∂w + bx bz  + dτ + bz∂z ∂x ∂z ∂x (2)где Ne- концентрация электронов в невозмущенной ионосфере,bx и bzгоризонтальные и вертикальные компоненты единичного вектора магнитного поля,соответственно.

В конкретных расчетах использовался профиль фоновойионосферы, состоящий из двух параболических слоев - E и F (с максимумом на 300км). Для наблюдения за состоянием ионосферы имеет очень большое значениеопределение изменения полного электронного содержания (ПЭС) в разныхнаправлениях, т.е. между приемником и искуственным спутником земли (ИСЗ) [4](см.

Рис. 1):∆TEC =satellite∫ ∆N dre(3)receiverВ третьей главе рассматривается включение наземных источников впредставленную модель, анализ полученных результатов для нейтральнойатмосферы и ионосферы и сравнение их с экспериментальными данными. Главаразделена на 5 параграфов.В первом параграфе приведена постановка задачи для моделированиялитосферно-ионосфернойсвязи.Наземныйимпульсныйисточникрассматривался как поршнеобразный источник, который действует наатмосферу (участок AB на Рис. 1).

Чтобы включить этот источник в даннуюмодель, необходимо задать скорость движения частиц воздуха на высотеповерхности земли в окрестности эпицентра источника. Отсюда следует, что для8вертикальной компоненты (горизонтальные перемещения не учитываются)скорости граничное условие будет условием сшивания надтвердойповерхностью земли:  x − xc  2  2π (t − t 0 ) w = wm sin  ⋅ exp −  , t 0 ≤ t ≤ t 0 + P (4)PDx где wm – амплитуда, t0 – момент начала возмущения, P – период, xc –горизонтальная координата эпицентра источника, Dx – Гауссовский масштаб,характеризующий горизонтальный размер источника. Для сильного землетрясенияили подземного ядерного испытания мы брали wm= 10 м/с, P= 1 c, Dx = 20 км.

Привыборе значений этих параметров, мы учитывали то обстоятельство, что напрактике определить точные значения параметров импульса возмущения не такпросто, и они зависят от конкретного случая. Но так как нашей главной цельюявляется изучение общих свойств возмущений от таких источников, мы принималинекоторые приближенные значения параметров источника. Что касается наземныхпромышленных взрывов, то их можно учитывать в нашей модели с помощьюзадания эквивалентного подземного источника.Во втором параграфе представлены основные результаты, полученные прирешении уравнений (1) для наземного источника с вышеперечисленнымипараметрами.

Таким образом, система уравнений (1) вместе с начальными играничными условиями решалась с помощью составленного нами пакетакомпьютерных программ. Параметры расчетной сетки были выбраны следующие:шаг по высоте 5 км, по горизонтальной координате 10 км и 0.1 сек по времени.Размеры моделируемой области составляли 4000 км и 500 км по ширине и высоте,соответственно.Как известно, стратификация температуры и зональный ветер влияют нараспространение АГВ в атмосфере. Чтобы отделить эти влияния друг от друга, мыпоэтапно рассматривали разные варианты модели атмосферы в нашихвычислениях.

Характеристики

Список файлов диссертации