Диссертация (1149487), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

В частности, в модель были включеныэмпирические модели термосферы и нейтральных ветров, а также реализованы численныеалгоритмы интегрирования моделирующих уравнений с переменным шагом по широтедля изучения термосферных и ионосферных эффектов с пространственными масштабамиболее ста километров.С использованиеммоделиUAMбыло34осуществленоматематическоемоделирование большого числа конкретных геофизических событий и на основемодельных расчётов дана физическая интерпретация результатов наблюдений радараминекогерентного рассеяния и ионосферной радиотомографии (Namgaladze et al., 2006), атакже изучались ионосферные эффекты сейсмических событий (Namgaladze et al., 2009;Золотов, 2015). В настоящее время модель активно используется не только в Мурманскомгосударственном техническом университете, но и в Санкт-Петербургском филиалеинститута магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им.

Н.В. Пушкова РАН(СПбФ ИЗМИРАН) (Рыбаков и др., 2014), а также в Потсдамском университете (Foersteret al., 2012; Namgaladze et al., 2013; Prokhorov et al., 2014) и в Университете Йорка вТоронто, где модель UAM была объединена с Канадской моделью ионосферы иатмосферы C-IAM (Martynenko et al., 2014).2.2. Уравнения модели в общем видеДля расчета пространственно-временных вариаций параметров околоземной средыв модели решается система квазигидродинамических уравнений, описывающая основныефизические процессы в рассматриваемой системе (фотохимические процессы, процессыпереноса, теплообмена), а также внешние воздействия, и которая состоит из уравненийнепрерывности (2.1), движения (2.2), теплового баланса (2.3) и уравнения дляэлектрического потенциала (2.4)n (n v )  Q  L ,t(2.1)где nα – концентрация частиц сорта α, vα – вектор скорости направленного движениячастиц сорта α, Qα – скорость образования, Lα – скорость потерь частиц сорта α,соответственно.     v     (  r )  2  v   F , t(2.2)где ρα – плотность газа сорта α, Ω – вектор угловой скорости вращения Земли, r – радиусвектор, направленный от центра Земли, Fα – вектор силы, действующей на единицуобъема газа сорта α.  cVT p v  ( T )  PQ  PL  PT ,t(2.3)где сVα – удельная теплоемкость газа сорта α при постоянном объеме, Tα – еготемпература, λα – теплопроводность, pα = nαkTα – давление, PQα – скорость нагрева, PLα –скорость охлаждения, PTα – скорость теплообмена с другими газами, соответственно. 35 [ˆ (  [V  B])  jm  js ]  0,(2.4)где σ – тензор ионосферной проводимости, φ – потенциал электрического поля, V – векторскорости среднемассового движения нейтрального газа, B – вектор магнитной индукции,jm и js – плотности магнитосферного электрического тока и токов через нижнюю границу,соответственно.В связи с изменяющимся по высоте газовым составом верхней атмосферы ипреобладанием различных физических процессов на разных высотах модель разбита натри блока: блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы, блок F2-области и верхнейионосферы и блок расчета электрического поля.

Каждый блок рассчитывает свойсобственный набор параметров и обменивается полученными значениями с другимиблоками на каждом шаге интегрирования. Помимо самосогласованного решенияуравнений (2.1-2.4) искомые параметры могут быть получены с использованиемвстроенных в модель эмпирических моделей ионосферы IRI-2001 (Bilitza, 2001),нейтральной атмосферы NLRMSISE-00 (Picone et al., 2002) и горизонтальных компонентнейтрального ветра HWM-93 (Hedin et al., 1996) в различных комбинациях.2.3.

Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферыВ блоке нейтральной атмосферы и нижней ионосферы используется сферическаягеомагнитная система координат и рассчитываются трехмерные вариации газовогосостава (концентрации O, O2 и N2) и температура нейтрального газа, компоненты вектораскорости термосферного ветра, суммарная концентрация ионов O2+, N2+ и NO+ иконцентрация электронов в диапазоне высот от нижней границы до высоты 520 км, атакже ионная и электронная температуры до высоты 175 км.В самосогласованном варианте концентрации O и O2 находятся из уравнениянепрерывности (2.1), которое для нейтральных частиц принимает видnn [nn (v  vdn )]  Qn  Ln ,t(2.5)где nn – концентрация частиц сорта n, v – вектор среднемассовой скорости (скороститермосферного ветра), vdn – вектор скорости диффузии, равный сумме векторовмолекулярной и турбулентной диффузии, Qn и Ln – скорости образования и потерь частицсорта n с учетом фотодиссоциации молекул O2 солнечным излучением и рекомбинации Oи O2 при тройных столкновениях и радиоативной рекомбинации (Брюнелли и Намгаладзе,1988).Концентрация N2 определяется из барометрического закона распределения. 36Меридиональная vx и зональная vy компоненты вектора скорости ветраопределяются из проекции уравнения движения (2.2) на горизонтальные оси всферической системе координат:[ v  (v , )v  2[  v ]]hor  (p) hor  Rnihor ( 2 v) hor ,t(2.6)где ρ – полная плотность нейтрального газа, p – полное давление, описываемоевыражением (2.7), Rni hor – сила нейтрал-ионного трения (выражение 3.8), η – коэффициентвязкости.p   nn kTn .(2.7) Rnihor    ni ni nn (v  vi ) hor ,(2.8)nniгде k – постоянная Больцмана, µni = mnmi / (mn + mi) – приведенная масса, νni – частотастолкновений нейтралов n с ионами i, (v – vi) – относительная скорость движениянейтральных частиц и ионов.Полная плотность нейтрального газа ρ определяется из проекции уравнениядвижения (2.2) на радиус-вектор r, направленный из центра Земли в данную точкупространства, с учетом только силы тяжести и вертикального градиента давления(условие гидростатического равновесия):g  p,r(2.9)где g – сумма гравитационного и центробежного ускорений, p – полное давлениенейтрального газа:p   p n   nn mn .n(2.10)nСуммируя по n уравнение непрерывности для нейтрального газа (2.5) и учитывая,что общее количество частиц остается постоянным, т.е.Q   Lnnn,nполучим выражение ( v)  0.t(2.11)Зная полную плотность и горизонтальные компоненты скорости ветра, извыражения (2.11), определяется вертикальная компонента скорости ветра.Наконец, температура нейтрального газа Tn определяется из уравнения тепловогобаланса (2.3), которое принимает вид 37cVTn (v , )Tn ]  pv  (n Tn )  PnQUV  PnQ J  PnQC  PnL ,t(2.12)где сV – удельная теплоемкость нейтрального газа при постоянном объеме, PnQUV, PnQJ иPnQC – скорости нагрева нейтрального газа солнечным излучением.

Джоулевым нагревомв результате столкновения с ионами, а также нагревом высыпающимися из магнитосферычастицами, соответственно, PnL – скорость потери тепла.В уравнении непрерывности для молекулярных ионов O2+, N2+ и NO+пренебрегаются процессы переноса в связи с преобладанием фотохимических процессов вD, E и F1-областях, так как время жизни молекулярных ионов во много раз меньшехарактерного времени переноса из-за высоких частот столкновений заряженных частиц снейтральными и друг с другом. Таким образом, в фотохимическом приближенииуравнение непрерывности для молекулярных ионов (2.1) принимает видn( XY  ) Q( XY  )  L( XY  ),t(2.13)где n(XY+) = n(NO+) + n(O2+) + n(N2+) – суммарная концентрация молекулярных ионов,Q(XY+) и L(XY+) – скорости образования и потерь молекулярных ионов с учетомионизации прямым ультрафиолетовым излучением Солнца, рассеянным излучением иионизациейвысыпающихсяизмагнитосферыэлектронами,атакжесучетоммолекулярных реакций и диссоциативных рекомбинаций (Брюнелли и Намгаладзе, 1988).В ионосфере соблюдается условие квазинейтральности, и концентрация электроновравна полной концентрации молекулярных ионов:ne  ni  n( XY  ).(2.14)Уравнение движения для ионов с учетом градиентов давления, силы ионнейтрального трения и силы Лоренца принимает вид   ni mi g  (ni kTi )   mi in ni (vi  v )  eni ( E  [vi  B])  0,(2.15)nгде E – вектор напряженности электрического поля, В – вектор магнитной индукции.В уравнении движения для электронов пренебрегают всеми членами, содержащимимассу электрона, в силу ее малости:  (ne kTe )  ene ( E  [ve  B ])  0.(2.16)Отсюда внутреннее поле амбиполярной индукцииE|| || (ne kTe ) / ene .(2.17)Температуры ионов и электронов рассчитываются до высоты 175 км из уравнениятеплового баланса в пренебрежении процессами переноса тепла и преобладании 38локального нагрева:3 / 2ni kTiJen PiQ  PiT  PiT ,t(2.18)3 / 2ne kTePCin PeQ  PeQ  PeT  PeT ,t(2.19)где PiQJ – скорость Джоулева нагрева ионов, PiTe и PiTn – скорости обмена тепла ионов сэлектронами и нейтральными частицами, PeTi = – PiTe, PeTn – скорость обмена теплаэлектронного газа с нейтральными частицами, PeQp и PeQc – скорости нагрева электронногогаза фотоэлектронами и высыпающимися из магнитосферы электронами, соответственно.2.4.

Характеристики

Список файлов диссертации