Автореферат (1149486)
Текст из файла
МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиКарпов Михаил ИвановичИССЛЕДОВАНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ И ТЕРМОСФЕРНЫХЭФФЕКТОВ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙМЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ25.00.29 – физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМурманск – 2016Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Мурманский государственный технический университет»Научный руководитель:НАМГАЛАДЗЕАлександрАндреевич,главный научный сотрудник ФГБОУ ВПОМГТУ, д. ф.-м.
н., проф.Официальные оппоненты:МИХАЙЛОВ Андрей Валерьевич,главныйнаучныйсотрудникФГБУНИЗМИРАН им Н.В. Пушкова, д. ф.-м. н.,проф.СМИРНОВА Наталья Алексеевна,доцент ФГБОУ ВО СПбГУ, к.ф.-м.н.Физико-технический институт ФГАУОУВПО БФУ им И. КантаВедущая организация:Защита диссертации состоится 14.09.2016 г.
в 13:00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.35 по защите диссертаций насоискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степенидоктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете поадресу: Санкт-Петербург, Средний пр-т, В.О., д. 41/43, ауд.304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СанктПетербургский государственный университет» и на сайте по адресуhttps://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dislist/details/14/1016.htmlАвтореферат разослан “”2016 г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д 212.232.35, к.
ф.-м. н.Кубышкина М.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена исследованию мезомасштабныхвариаций электрического поля в околоземной среде и отклика на нихионосферы и термосферыАктуальность темы исследованияВ последнее время особое внимание уделяется исследованиюионосферных возмущений с горизонтальными масштабами от несколькихсотен до 1000-3000 км – так называемых мезомасштабных возмущений.Спутниковые и наземные измерения показывают локальные измененияэлектрических полей и соответствующих им возмущений ионосфернойплазмы в связи с процессами, происходящими в атмосфере и литосфере,такими как землетрясения и процессы их подготовки, извержениявулканов, грозовая активность, пылевые и песчаные бури, тайфуны, атакже в связи с антропогенными загрязнениями. Изучение этих процессови механизмов их влияния на ионосферу – среду распространениярадиоволн – представляет собой актуальную проблему в видунеобходимости осуществления задач радиосвязи, радиолокации инавигации в условиях упомянутых явлений, а также их мониторинга ипрогнозирования в целях предотвращения катастрофических последствийэтих явлений для инфраструктурных объектов и жизни человека.Рост научного интереса к данной проблеме стимулировал запускспециализированныхнаучныхпрограмм,активноприменяютсяспутниковые системы глобального позиционирования GPS (GlobalPositioning System), ГЛОНАСС, Galileo для измерения ряда параметров,характеризующих состояние ионосферы.
Однако над малонаселеннымиучастками суши (с малым количеством приемников), над океанами, гдеприемники отсутствуют вовсе, а также в высоких широтах за пределамиорбит спутников изучение локальных воздействий на ионосферузатруднительно в виду отсутствия данных наблюдений. Кроме того,несмотря на обилие экспериментальных данных, научное сообщество ещедалекоотединого,общепринятогообъяснениявыявленныхзакономерностей. В этой связи представляется актуальным использованиечисленных моделей околоземного пространства, которые в совокупности снабором данных наблюдений в качестве начальных и граничных условийиспользуются для физической интерпретации наблюдаемых явлений, атакже в качестве средств их мониторинга (путем интерполяции модельныхрезультатов в места, где наблюдения отсутствуют) и прогнозирования.Целью диссертационной работы является изучение методомматематического моделирования механизмов генерации мезомасштабныхвозмущений электрического поля в ионосфере в периоды подготовкиземлетрясений и влияния этих полей на пространственно-временные3вариации параметров термосферы и ионосферы в двумерной и трёхмернойпостановках задачи.Для достижения поставленной цели были сформулированы ирешены следующие задачи:Проанализировать опубликованные спутниковые и наземные данныенаблюдений мезомасштабных электрических полей, формируемых вионосферелокализованнымиисточниками,исоответствующиеионосферные возмущения, в частности, возмущения электроннойконцентрации и полного электронного содержания в периоды подготовкисильных землетрясений.Осуществить математическое моделирование физических процессов,ответственных за генерацию мезомасштабных электрических полей вионосфере от локальных источников вертикального электрического тока,текущего между Землей и ионосферой.
Исследовать физическую природуисточников этого тока и оценить его параметры, необходимые длягенерации наблюдаемых электрических полей и их соответствующихэффектов в термосфере и ионосфере Земли.Выполнить численные расчеты и проанализировать глобальныепространственно-временные вариации мезомасштабных электрическихполей и соответствующие термосферные и ионосферные возмущения,формируемые в результате действия различных конфигураций источниковвертикального электрического тока. В частности, рассчитать двумерныевозмущения полного электронного содержания ионосферы, а такжетрехмерные возмущения концентраций, температур и скоростей движениязаряженных и нейтральных частиц с использованием глобальнойчисленной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper AtmosphereModel).Проанализировать и сопоставить результаты проведенныхчисленных расчетов с данными спутниковых и наземных наблюденийпараметров верхней атмосферы при подготовке землетрясений.Сделать выводы об относительной роли электромагнитного дрейфаплазмыF2-слояионосферыподдействиеммезомасштабногоэлектрического поля и внутренних гравитационных волн в формированииионосферных возмущений в периоды подготовки сильных землетрясений.Метод исследованияВ работе для исследования мезомасштабных электрических полей иих термосферных и ионосферных эффектов применялся метод физикоматематического моделирования.
Для этого использовалась численнаяглобальная модель верхней атмосферы Земли UAM (Upper AtmosphereModel), описывающая околоземное пространство в диапазоне высот от 80до 100000 км. Основные параметры термосферы и ионосферы(концентрации, температуры и скорости движения основных газовых4компонент) рассчитывались в модели путем численного интегрированиясистемынестационарныхтрехмерныхуравненийдвижения,непрерывности и теплового баланса для нейтральных и заряженных частицсовместно с уравнением для расчета электрического потенциала. Вкачестве локальных источников мезомасштабных возмущений на нижнейгранице уравнения для электрического потенциала задавалисьвертикальные электрические токи.Достоверность и обоснованность результатов и выводовдиссертационной работы обеспечены корректностью постановки задач,метода их решения и согласием полученных результатов численногомоделирования с результатами спутниковых и наземных наблюдений, атакже с современными представлениями о физике процессов в верхнейатмосфере Земли.Научная новизна настоящей работа заключается в следующем.Дано теоретическое объяснение генерации мезомасштабныхэлектрических полей в ионосфере в результате действия вертикальногоэлектрического тока, текущего между Землей и ионосферой и созданногопреимущественно неэлектрическими силами.
Показано, что вертикальныйэлектрический ток, возникающий в периоды подготовки землетрясений,имеет ту же физическую природу, что и электрические токи, возникающиепри образовании грозовых облаков, замыкающие глобальнуюэлектрическую цепь и заряжающие ионосферу положительноотносительно Земли.Рассчитаны возмущения напряженности электрических полей исоответствующие двумерные возмущения полного электронногосодержания ионосферы, и проанализированы их зависимости от плотностии направления вертикального электрического тока, широтногорасположения источников, их конфигурации и сезона моделируемогособытия. Воспроизведены основные индивидуальные особенностиотносительныхвозмущенийполногоэлектронногосодержания,наблюдавшихся перед землетрясениями на Суматре в марте 2005 г. иЯпонии в марте 2011 г.Впервые выполнены модельные расчеты трехмерных вариацийэлектроннойконцентрацииподдействиеммезомасштабныхэлектрических полей.
Изучено влияние не только вертикального дрейфаплазмы под действием зональной компоненты мезомасштабногоэлектрического поля, но и горизонтальное перераспределение плазмы.Выявлено формирование всплывающих пузырей (баблов) и капель(блобов) – областей пониженной и повышенной электроннойконцентрации в низкоширотной ионосфере.Впервыевыполненырасчетытрехмерныхвозмущенийконцентрации, температуры и скоростей движения основных нейтральных5компонент верхней атмосферы Земли, создаваемых действиемсейсмогенных электрических полей в ионосфере.Исследован относительный вклад электромагнитного дрейфа плазмыF2-слоя ионосферы и внутренних гравитационных волн в формированиеионосферных возмущений в периоды подготовки сильных землетрясений.Научная и практическая значимость работыПроведенное исследование вносит вклад в развитие представлений офизике глобальной электрической цепи и подтверждает электромагнитныймеханизм формирования ионосферных возмущений, связанных спроцессами подготовки землетрясений, – генерацию возмущенийэлектронной концентрации и полного электронного содержанияпосредством электромагнитного дрейфа плазмы (дрейфа в скрещенныхэлектрическом и магнитном полях), создаваемого сейсмогеннымэлектрическим полем, возникающим в результате появления стороннегоэлектрического тока между Землей и ионосферой.
Результатыпроведенных расчетов могут быть использованы в разработке методикмониторинга и прогнозирования таких мезомасштабных природныхявлений как тайфуны, штормы, грозовые облака и землетрясения поданнымспутниковыхнаблюденийифизико-математическогомоделирования эффектов этих явлений в термосфере и ионосфере.На защиту выносятся:Результаты численного моделирования генерации локальныхквазистационарных электрических полей в ионосфере действиемсторонних электрических токов в глобальной электрической цепи,текущих между Землей и ионосферой.
Обоснование реальности такихтоков и их количественные оценки.Описание структуры электромагнитного дрейфа плазмы F2-слояионосферы под действием мезомасштабного электрического поля исоздаваемых этим дрейфом трехмерных возмущений электроннойконцентрации ионосферы, в частности, в виде всплывающих пузырей внизких широтах.Описаниедвумерныхвозмущенийполногоэлектронногосодержания ионосферы в зависимости от магнитуды, широтного идолготного расположения источников вертикального электрического тока,с учетом обратных токов и в зависимости от сезона.Описание трехмерных возмущений термосферы (концентрации,скоростей и температур нейтрального газа), создаваемых привзаимодействии с заряженными частицами.Оценка относительной роли генерируемых в термосфере внутреннихгравитационных волн в формировании возмущений полного электронногосодержания в сравнении с ролью [E × B] дрейфа плазмы F2-слояионосферы, создаваемого мезомасштабным электрическим полем.6Личный вклад автораАвтор участвовал в постановке задач, разработке физическогомеханизма генерации мезомасштабных электрических полей, выполнилчисленные расчеты термосферных и ионосферных возмущений отдействия квазистационарных электрических полей с использованиеммодели UAM, выполнил обработку, анализ и сопоставление результатовмодельных расчетов между собой, а также с данными эмпирическихмоделей и данными спутниковых и наземных наблюдений.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
