Численное моделирование генерации акустико-гравитационных волн и ионосферных возмущений от наземных и атмосферных источников (1105201), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Изотермический случай интересен тем, что он позволяет сравнитьрезультаты моделирования с предшествующими работами в этой области. Какпоказывает сравнение, период, фазовая и групповая скорости, линейный ростпериода ВГВ и т.д. полученные нами для изотермической и безветреннойатмосферы, подтверждаются результатами предыдущих работ. Кроме того, какпоказывают результаты, данная модель хорошо описывает такие нелинейныеэффекты, как укручение профиля волны и т.д. Таким образом, тестированиечисленной модели показало, что она обладает приемлемой точностью.НаРис.2представленазависимостьгоризонтальнойскоростигидродинамических частиц на высоте h=100 км, от времени и расстояния.
Онарассчитана на основе июльского профиля температуры модели MSISE-90, без учетаветра для вышесказанного источника. Здесь четко видны АВ и ВГВ. Как видно изграфика, период ВГВ растет от 300 сек до 1200 сек линейно по мере удаления отисточника в горизонтальном направлении. Эта связано тем, что волны с большимипериодами движутся наклонно к вертикали. Период акустических волн около 200сек. Точка насыщения, т.е.
высота максимальной амплитуды АГВ находиться навысоте около 200 км. Вертикальная скорость, возмущения плотности, давления итемпературы в волне, также показывают подобную зависимость. Для АВ9вертикальная скорость, а для ВГВ горизонтальная скорость играютдоминирующую роль.В третьем параграфе приведены результаты вычислений ионосферныхвозмущений, вызванных наземными импульсными источниками.
На Рис. 3-4представлены пространственные распределения вариации электронной плотности вионосфере через 5000 с после землетрясения или взрыва. После толчка в течении15 мин возмущение доходит до верхней атмосферы. Учет зонального ветранарушает симметрию отклика атмосферы и ионосферы.
Этот случайпродемонстрирован на Рис. 3, где ось OX направлена на восток. Здесь наблюдаютсясреднемасштабные ПИВ с длинами волн около 100 км, распространяющиеся отисточника с горизонтальной фазовой скоростью около 300 м/с.Проведенныеисследованияпоказалисильнуюкачественнуюиколичественную модификацию ионосферного отклика при изменении ориентациигеомагнитного поля. Как видно из Рис.
4, в случае когда магнитное поле имеетзаметную вертикальную компоненту (наклонение I=45°), получается совсем другаякартина. Эти результаты могут быть также применены к интерпретацииатмосферных возмущений вызванных наземными взрывами.Что касается данных, полученных при трансионосферном зондированииверхней атмосферы сигналами спутниковой радионавигационной системы GPS, тоанализ полученных результатов показывает, что характеристики этих сигналовсильно зависят от месторасположения приемника, угла места спутника и т.д. Какпоказывают наши результаты, диапазон частот этих возмущений может быть оченьшироким.
Если посмотреть на Рис. 5a, мы увидим, что этот график качественнохорошо описывает высокочастотные (период ≈200 с) возмущения вертикальногоПЭС (т.е. угол места спутника θ=90°), зарегистрированные авторами [4,5] во времясильных землетрясений. Этот график соответствует случаю, когда приемникнаходиться над эпицентром. В Рис.
5b представлена зависимость вариациивертикального ПЭС, когда приемник находиться на расстоянии 800 км отисточника. Здесь видна ВГВ с периодом приблизительно 1000 с. Длиннопериодныеколебания в ионосфере, предсказанные нами, наблюдались с помощьютомографических, доплеровским зондированием, и др.
методами во времяземлетрясений и взрывов [2,3,12]. Периоды волн, горизонтальные фазовые игрупповые скорости распространения волн в нашей модели и экспериментальныхданных почти совпадают.В четвертом параграфе представлены результаты моделированиявозбуждения атмосферы и ионосферы от длиннопериодных наземных источников.Как известно, неглубокие землетрясения генерируют длинные поверхностныеволны Релея, которые распространяются на большие расстояния. В модели вкачестве источника бегущей волны Релея предполагалась одиночнаясинусоидальная волна с периодом 50 с и длиной волны 70 км, котораяраспространяется со скоростью 1400 м/с по поверхности земли.
Для амплитудыскорости вертикальных колебаний земной поверхности принималось значение wm=1 мм/с. Ионосферный отклик через 2000 с после начала распространения волныотточки О в направлении оси ОХ (см. Рис.1) продемонстрирован на Рис. 6. В этом10Рис. 1. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая, генерацию АГВ наземными иатмосферными источниками и возможности спутникового радиозондирования. Показанызональный ветер и магнитное поле.Рис. 2. Изменение горизонтальной скорости частиц атмосферы в зависимости от времени игоризонтального расстояния.11Рис.3.
Распределение вариаций электронной концентрации в ионосфере, после наземноговозмущения, где учтен ветер и горизонтальное магнитное поле.Рис.4. Распределение вариаций электронной концентрации в ионосфере, после наземноговозмущения (наклонение магнитного поля I=45°).12Рис. 5. Возмущения вертикального полного электронного содержания. а) надэпицентром; б) вдали от него; 1 TECU=1016 эл/м2случае ПИВ распространяются со сверхзвуковой фазовой скоростью. Амплитудавозмущения электронной плотности такого же порядка, как в случае импульсногоисточника.
По периодам атмосферные волны, генерированные волнами Рэлея,принадлежат к высокочастотным АВ. Этот результат подтверждается результатамианалитических вычислений, проведенных в работе [8].Кроме того, в природе существуют длиннопериодные источники, такие какцунами, колебания земной поверхности и т.д. [6–8]. Длиннопериодные колебанияземной поверхности могут быть основным механизмом генерации ВГВ всейсмически активных регионах.
С этой целью мы брали источник в форме (4), самплитудой 1 мм/с, но с разными периодами. Анализ отклика нейтральнойатмосферы на такие источники показывает, что роль ВГВ в отклике растет с ростомпериода источника. Результаты показывают, что в зависимости от расстояний вгоризонтальном и вертикальном направлениях от источника, чувствительностьатмосферы существенно меняется.
На Рис. 7 показаны две резонансные кривые,рассчитанные на основе сравнения амплитуд скоростей над источником и нагоризонтальном расстоянии 100 км от него. Очевидно, что первая кривая имеетмаксимум на частоте Брента-Вяйсяля. Из второй кривой видно, что максимумотклика смешается в сторону длинных периодов с удалением от источника вгоризонтальном направлении. Что касается, амплитуды возмущений, то онисравнимы с откликами в случае импульсных источников, несмотря на то, чтоамплитуды источников отличаются в 104 раз. Таким образом, длиннопериодныеназемные источники способны генерировать интенсивные ВГВ в атмосфере вбольших масштабах. Если учесть, что в сейсмически активных регионахпротяженность таких источников велика, тогда очевидно, что они могут сильновозбудить верхнюю атмосферу, и их можно зарегистрировать радиофизическимиметодами.В пятом параграфе приведены результаты трехмерного моделированияатмосферных возмущений от импульсных источников.
В трехмерном случаесистема уравнений (1) будет иметь аналогичный вид, но с добавлениемкомпоненты скорости в другом горизонтальном направлении. К сожалению,большие затраты памяти компьютера и времени расчета ограничивают13возможности решения трехмерной задачи и обработки полученных результатов.Поэтому здесь представлены результаты, полученные на более грубых разностныхсетках в меньшей пространственной области. На Рис. 8 показано пространственноераспределениевертикальнойскоростигидродинамическихчастицвгоризонтальной плоскости, где ось OX направлена под углом 45° к востоку. Вданном случае учитывается горизонтальный ветер. Здесь источник точечный,параметры его такие же как в двумерной модели. Из графика видно, что надисточником наблюдается акустический купол, и расходящиеся от него ВГВ.
Втрехмерном случае из-за геометрического расхождения наблюдается более сильноезатухание волн.В четвертой главе представлены результаты работ по моделированиюгенерации АГВ и ионосферных возмущений, генерированных во время полетаракет.Первый параграф посвящен анализу свойств УВ, излучаемыхсверхзвуковыми полетами ракет. Общеизвестно, что генерация АГВ происходит восновном во время горизонтального сверхзвукового полета ракеты после запуска[12].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
