Численное моделирование генерации акустико-гравитационных волн и ионосферных возмущений от наземных и атмосферных источников (1105201), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При сверхзвуковом обтекании ракеты на больших расстояниях от неевызываемые ею возмущения слабы, и поэтому их можно рассматривать какцилиндрическую звуковую волну, расходящуюся от оси, проходящей через ракетупараллельно направлению обтекания. Мы ввели источник возмущения в расчетнуюмодель следующим образом: пусть вертикальная координатная плоскость – XOZ(см. Рис. 1.) перпендикулярна к траектории горизонтального полета ракеты.Предположим, что с левой границы (участок CD на Рис. 1.) в расчетную областьвходит одиночный сильно нелинейный акустический импульс, который далеепревращается в пакет АГВ. Цилиндрический звуковой импульс в первомприближении можно аппроксимировать с помощью функции Гаусса.
Такимобразом, акустический импульс вводиться в модель в такой форме, что выражениедля горизонтальной компоненты колебательной скорости частиц воздуха на оси OZопределяется формулой: z − zm 2 2π (t − t 0 ) u = u m sin ⋅ exp − , t 0 ≤ t ≤ t 0 + P (5)PDz где um – амплитуда, t0 – момент прихода импульса, P – период, zm – высота осизвукового цилиндра от земной поверхности, Dz – Гауссовский масштаб,характеризующий поперечный размер цилиндра.
Значения плотности итемпературы в волне можно вычислить с помощью формул, описывающихпростые нелинейные акустические волны [12]. Эти граничные условияобеспечивают передачу возмущения от среды вокруг траектории ракеты врассматриваемую нами область атмосферы. Что касается моделирования второйобласти атмосферы, находящейся слева от траектории ракеты, то в этом случаетакие же граничные условия будут на правой границе расчетной области.Граничные условия на других стенках области будут аналогичными, как в случаедля наземных источников.Второй параграф посвящен результатам моделирования генерации АГВ отзвукового цилиндра вокруг сверхзвуковой ракеты.
Здесь мы принимали14приближенные значения для параметров акустического импульса [12]: um= 260 м/с,P= 26 c, Dz = 10 км. Результаты моделирования показывают, что в этом случаегенерируется широкий спектр волн – АВ, ВГВ и захваченные АГВ. Основнойотклик – это длиннопериодные волны. Примечательным фактом является то, чтоскорость распространения возмущений близка к скорости звука в термосфере,около 800 м/с. Как в предыдущих случаях горизонтальный ветер слабо влияет нахарактер отклика.В третьем параграфе приведены результаты вычислений ионосферныхволнообразных возмущений, генерированных во время полета ракет.
На Рис. 9изображен график изменения электронной концентрации в зависимости откоординат в момент t=5000 с, после начала возмущения, где учитывалась реальнаястратификация атмосферы. Угол наклонения магнитного поля 75°. Из графикаочевидно, что в ионосфере генерируются крупномасштабные ПИВ с масштабамисотни километров. В области мезосферно-термосферного волновода виднызахваченные волны, которые не появляются в решении, если принимать атмосферуизотермической.Сравнение результатов с данными радиотомографических реконструкций,полученных во время запуска ракеты с космодрома Плесецк в 1991 г.
[2],показывает,что данная модель качественно описывает пространственные свойстваионосферных возмущений от такого рода источников. Кроме того, низкочастотныеВГВ, предсказанные данной моделью, наблюдались также с помощью методовнекогерентного рассеяния, доплеровского зондирования и т.д. во время запусковракет с космодромов Байконур и Kennedy Space Center [12]. Что касается данныхпо вариации ПЭС, здесь модель также предсказывает появление N-образноговозмущения по времени [4].В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходевыполнения данной работы. Была разработана численная модель распространенияАГВ в двумерной и трехмерной сжимаемой атмосфере, учитывающаястратификацию атмосферы, зональный ветер, диссипативные эффекты инелинейность. На основе двумерной модели были промоделированы генерацияАГВ от разного вида источников.
Были вычислены временные и пространственныераспределения возмущений электронной плотности в ионосфере, генерированныево время распространения АГВ. Рассчитаны интегральные вариации электроннойконцентрации в разных направлениях для сопоставления с экспериментальнымиданными. Результаты показывают, что разработанная численная модель достаточнохорошо предсказывает наблюдаемые возмущения в ионосфере от рассматриваемыхисточников. Анализ полученных результатов демонстрирует, что отклики отназемных и атмосферных источников сильно отличаются друг от друга, так каквторые возбуждают верхний волновод атмосферы и находятся прямо в ионосфере.Сравнение численных и экспериментальных результатов показывает, что дляуглубленного изучения данной проблемы, следует привлекать, комплексразличных методов наблюдения.
Среди них самым информативным и подходящимявляется15Рис. 6. Распределение вариации электронной концентрации в ионосфере,генерированная при распространении волны Рэлея. (наклонение магнитного поляI=0°)a)б)Рис. 7. Кривые чувствительности атмосферы к воздействию источников с разнымипериодами: а) на высоте 50 км от источника; б) на той же высоте, но нагоризонтальном расстоянии 100 км от источника16Рис. 8. Распределение вертикальной скорости частиц атмосферы в горизонтальнойплоскости над импульсным источником.Рис.
9. Распределение возмущения электронной концентрации в ионосфере, вовремя сверхзвукового полета ракеты. Траектория ракеты перпендикулярна ккоординатной плоскости и находиться слева от нее.17томографический метод, который позволяет зарегистрировать двумерную картинувозмущения атмосферы и ионосферы.Из полученных результатов следует, что для детальной интерпретацииэкспериментальных результатов необходимо учитывать следующие факторы:• геометрию и временные характеристики источника;• состояния атмосферы и ионосферы над местом наблюдения;• ориентацию геомагнитного поля над местом наблюдения;• особенности данного экспериментального метода.В заключении можно утверждать, что предлагаемый подход к решениюданной проблемы является эффективным методом расчета различныххарактеристик атмосферных и ионосферных возмущений, свойств АГВ и т.д.Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:1.
Ахмедов Р.Р., Куницын В.Е. Численный метод решения задачираспространения акустико-гравитационных волн в атмосфере до ионосферныхвысот// Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия.2003. № 3. С. 38- 42.2. Ахмедов Р.Р., Куницын В.Е. Моделирование ионосферных возмущений,вызванных землетрясениями и взрывами// Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т.44. № 1. С. 1 - 8.3.
Ахмедов Р.Р., Кадиров Ф.А., Куницын В.Е. Моделирование атмосферныхвозмущений, вызванных землетрясениями// Изв. НАН Азерб. Сер. Наук оЗемли. 2004. № 1. с. 59 - 68.4. Ahmadov R.R., Kunitsyn V.E. Numerical simulation of atmospheric propagation ofacoustic-gravity waves caused by impulsive sources on the earth// GeophysicalResearch Abstracts.
2003. V. 5. 12451.5. Ahmadov R.R., Kunitsyn V.E. The atmospheric disturbances generated by theimpulsive sources on the earth// International conference. Fluxes and Structures inFluids. Sanct Petersburg. P. 6. 2003. 23-26 June.6. Ахмедов Р.Р. Распространение внутренних гравитационных волн встратифицированной атмосфере// Труды XII Всероссийской школыконференции по дифракции и распространению волн. Москва.
19-23 декабря.2001 г.7. Ахмедов Р.Р. Численное моделирование ионосферных возмущений, вызванныхземлетрясениями и взрывами// ВНКСФ-9. Сборник тезисов. Т. 2. 871-873.8. Ахмедов Р.Р. Численное моделирование распространения акустикогравитационных волн в атмосфере// Труды V сессии молодых ученых «Гелио- игеофизические исследования».
Иркутск. 2002 г. с. 71 - 73.9. Ахмедов Р.Р. Численное моделирование распространения акустикогравитационных волн в атмосфере, вызванных импульсными источниками наЗемле// Международная конференция и школа молодых ученых. Томск. 1-11сентября. 2003 г.10. Ахмедов Р.Р., Куницын В.Е.
Моделирование ионосферных возмущений,генерируемых наземными импульсными источниками// Труды XXВсероссийской конференции по распространению радиоволн. НижнийНовгород. 2-4 июля. 2002 г.1811. Ахмедов Р.Р., Куницын В.Е. Моделирование ионосферных возмущений,вызванных землетрясениями и взрывами// Труды LVIII научной сессии,посвященная дню радио. Москва. 2003.12. Ahmadov R.R., Kunitsyn V.E. Modeling of acoustic-gravity waves generation andpropagation in the atmosphere during rocket launchings// International Geomagnetismand Aeronomy (in press).ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:1. Григорьев Г.И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере Земли (обзор)//Изв. ВУЗов Радиофизика. 1999.
Т. XLII. № 1. с. 3 - 25.2. Kunitsyn V., Tereshchenko E. Ionospheric Tomography. Springer-Verlag.2003.272p.3. Андреева Е.С., Гохберг М.Б., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Худукон Б.З.,Шалимов С.Л. Радиотомографическая регистрация возмущений ионосферы отназемных взрывов// Космич. исслед. 2001. т. 39. № 1. с. 13 - 17.4. Calais E., Minster J.B. GPS, earthquakes, the ionosphere, and the Space Shuttle//Phys.
of the Earth and Planet. Inter. 1998. 105. 167 - 181.5. Afraimovich E.L., Perevalova N.P., Plotnikov A.V., Uralov A.M. The shock-acousticwaves generated by earthquakes// Ann. Geophysicae. 2001. 19. 395 - 409.6. Artru J., Lognonne P., Blanc E.. Normal modes modeling of post-seismic ionosphericoscillations// Geophys. Res.
Let. V. 28. No. 4. P. 697 - 700. 2001.7. Перцев Н.Н., Шалимов С.Л. Генерация атмосферных гравитационных волн всейсмически активном регионе и их влияние на ионосферу// Геомагнетизм иаэрономия. 1996. 36. 111 - 118.8. Голицын Г.С., Кляцкий В.И. Колебания в атмосфере, вызываемые движениямиземной поверхности// Изв. АН СССР. ФАО. 1967. Т. 3. № 10. 1045 - 1052.9. Гаврилов Н.М. Внутренние гравитационные волны и их воздействие насреднюю атмосферу и ионосферу. Дис… докт.
ф.-м. наук. 04.00.22. ЛГУ. 1988.10. Шувалов В.В. Динамические процессы в атмосфере вызванные сильнымиимпульсными возмущениями. Дис… докт. ф.-м. наук. 04.00.23. Москва. 1999.11. Drobzheva Ya.V., Krasnov V.M. The acoustic field in the atmosphere and ionospherecaused by a point explosion on the ground// J.
Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2003. V. 65.No. 3. 369 - 377.12. Нагорский П.М. Модификация F-области ионосферы мощными импульснымиисточниками волн в нейтральном газе. Дис…докт. ф.-м. наук. 04.00.23. ТГУ.1998. 365 с.13. Zhang S.D., Yi F. A numerical study of propagation characteristics of gravity wavepackets propagating in a dissipative atmosphere// J. Geophys. Res. 2002. V. 107.D14. 1 – 9.14.
Fritts D.C., Alexander M.J. Gravity wave dynamics and effects in the middleatmosphere// Reviews of geophysics. 2003. V. 41. N. 1. 1 – 64 .15. Durran D. Numerical methods for wave equations in Geophysical Fluid Dynamics.Springer – Verlag New York, Inc. 1999. 465 p.19.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
