Главная » 2014»Август»27 » Скачать Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы. Доронина, Елена Николаевна бесплатно
05:02
Скачать Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы. Доронина, Елена Николаевна бесплатно
Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы
Диссертация
Автор: Доронина, Елена Николаевна
Название: Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы
Справка: Доронина, Елена Николаевна. Математическое моделирование спокойной и возмущенной верхней термосферы : диссертация кандидата физико-математических наук : 25.00.29 / Доронина Елена Николаевна; [Место защиты: Ин-т земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн] - Мурманск, 2009 - Количество страниц: 123 с. ил. Мурманск, 2009 123 c. :
Объем: 123 стр.
Информация: Мурманск, 2009
Содержание:
Введение
Глава I Термосфера и методы ее исследования
11 Введение
12 Экспериментальные исследования
13 Приливы
14 Эмпирические модели
15 Теоретические модели
Глава II Модель верхней атмосферы Земли (UAM)
21 Введение
22 Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы
221 Субблок нейтральной атмосферы
222 Уравнения непрерывности для компонент нейтрального газа
223 Уравнение движения
224 Уравнение теплового баланса
225 Начальные условия
226 Граничные условия
227 Субблок нижней ионосферы (ионосферные области D, Е и F1)
23 Блок F2 области ионосферы и внешней ионосферы
24 Блок расчета электрического поля и магнитосферный блок
25 Входные параметры
26 Метод решения и шаги интегрирования
Глава III Вариации термосферных параметров в период геомагнитных бурь апреля 2002 года
31 Введение
32 Температура нейтрального газа
33 Нейтральный состав
331 Концентрация атомарного кислорода
332 Концентрация молекулярного азота
333 Отношение концентраций R=n(0)/n(Nz)
34 Термосферный ветер
35 Выводы
Глава IV Проблема экваториального минимума плотности нейтрального газа
41 Введение
42 Температура и плотность нейтрального газа в модельных расчетах
43 Влияние магнитосферных источников энергии и импульса на характер распределения температуры и плотности нейтрального газа
44 Влияние других механизмов нагрева и охлаждения на распределение температуры и плотности нейтрального газа в модельных расчетах
441 Нагрев нейтрального газа
442 Охлаждение нейтрального газа за счет излучения
45 Влияние начальных и граничных условий
46 Сеточные эффекты
47 Где же находится минимум?
48 Выводы
Введение:
Диссертация посвящена исследованию физических процессов, протекающих в спокойной и магнитно-возмущенной термосфере Земли, методом математического моделирования с использованием теоретической самосогласованной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), рассматривающей термосферу, ионосферу и внутреннюю магнитосферу Земли как единую систему, и эмпирических моделей, описывающих состав и тепловой режим термосферы Земли NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended) или сокращенно MSIS, а также термосферную горизонтальную циркуляцию HWM93 (Horizontal Wind Model).
Актуальность проблемы. Важность изучения процессов в термосфере Земли связана с тем, что изменения плотности нейтральной атмосферы определяют торможение и время жизни искусственных спутников Земли. Нейтральная атмосфера является причиной существования ионосферы, поэтому любые изменения, происходящие в ее химическом составе, тепловом или ветровом режиме, оказывают влияние на ионный состав и концентрацию электронов в ионосфере, и через это - на условия радиосвязи и радионавигации. В свою очередь, ионосфера передает нейтральному газу энергию солнечного ионизирующего излучения по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и энергию солнечного ветра через нагрев токами и дрейфами плазмы, изменяя тепловой режим термосферы и термосферную циркуляцию.
Одним из методов исследования атмосферы является математическое моделирование, которое представляет собой количественное описание пространственных и временных вариаций атмосферных параметров. Такое описание может быть представлено двумя способами. Во-первых, в виде таблиц и графиков, полученных путем усреднения данных наблюдений, их систематизации и аппроксимации с помощью аналитических формул. Объединенные вместе таблицы, графики и аппроксимирующие формулы представляют собой так называемые эмпирические модели.
Во-вторых, в виде системы уравнений динамики атмосферы, которые решаются теми или иными численными методами. Такая совокупность математических уравнений, описывающих действующие в среде физические законы, начальных и граничных условий, численных методов, алгоритмов решения и программ численной и компьютерной реализаций алгоритмов, называется теоретической, численной или математической моделью.
Эмпирические модели, основанные на осреднении данных наблюдений, сглаживают изменения в составе, температурном и ветровом режиме, особенно в возмущенных условиях. Это обусловлено тем, что экспериментальных данных о вариациях параметров термосферы недостаточно из-за отсутствия регулярных наблюдений на разных широтах, высотах, в разное время суток в силу ограниченности траекторий спутников и наземных пунктов наблюдений, и пробелы в данных наблюдений заполняются путем интерполяции и экстраполяции.
В теоретических самосогласованных моделях для получения адекватных результатов должны быть учтены фотохимия, динамика и энергетика как нейтральных, так и заряженных частиц, взаимодействие между ними и взаимосвязь различных областей околоземного пространства. Теоретические модели позволяют проводить численные эксперименты с учетом или, наоборот, с исключением из модели различных физических процессов, что позволяет оценивать влияние этих процессов на те или иные атмосферные параметры и интерпретировать экспериментальные данные.
Следует отметить, что эмпирические и теоретические модели должны использоваться в комплексе. В частности, эмпирические модели можно применять для создания начальных и граничных условий для теоретических моделей, а так же для сравнения результатов, полученных с помощью теоретических и эмпирических моделей между собой и с экспериментом. Такое сравнение позволяет корректировать модели и повышать их адекватность в описании реальной атмосферы.
Цель диссертационной работы - провести исследование и дать физическую интерпретацию выявленных в последние годы с помощью радарных и спутниковых наблюдений особенностей поведения термосферы Земли, связанных с термосферно-ионосферным взаимодействием, как в спокойных, так и в геомагнитно возмущенных условиях с помощью глобальной численной модели верхней атмосферы Земли UAM (Upper Atmosphere Model), сопоставить полученные результаты с эмпирическими моделями состава и теплового режима термосферы NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter Extended), или сокращенно MSIS и термосферного ветра HWM93 (Horizontal Wind Model) и экспериментальными данными, и выяснить какие модели наиболее адекватно воспроизводят реальные геофизические условия.
Для достижения цели были поставлены задачи: 1. На основе численных экспериментов с помощью модели UAJVI определить чувствительность результатов расчетов глобальной динамики термосферы к изменению входных параметров модели, начальных и граничных условий и характеристик пространственно-временной сетки интегрирования.
2. Провести сопоставление основных термосферных параметров, рассчитанных по модели UAM с данными современных эмпирических моделей температуры, плотности, состава нейтральных частиц (MSIS) и скорости термосферного ветра (HWM) и данными измерений как для спокойных условий, так и для периодов конкретных геомагнитных бурь.
3. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM определить как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параме тров термосферы.
4. С помощью модели UAM определить относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы на высоте 400 км.
5. Выявить механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне.
В этот же период времени (2002 год) акселерометром спутника CHAMP проводились измерения плотности нейтрального газа на высотах около 400 км. Измерения выявили ранее неизвестную особенность в глобальном распределении плотности - на дневной стороне в приэкваториальной области был обнаружен ее минимум. Эта и другие особенности поведения термосферы в указанный период времени и явились предметом исследования диссертационной работы.
Метод исследования. Исследование поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях проводилось методом математического моделирования с помощью глобальной численной физико-математической модели верхней атмосферы Земли UAM, в которой термосфера, ионосфера и внутренняя магнитосфера Земли рассматриваются как единая система. В модели UAM решаются уравнения непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц, а так же уравнение для потенциала электрического поля. В модели реализована возможность подключения в виде отдельных модулей эмпирических моделей теплового режима и состава термосферы NRLMSISE-00 и скорости горизонтального термосферного ветра HWM93, что позволяет не только рассчитывать основные термосферные параметры путем решения уравнений, но и получать напрямую из эмпирических моделей.
Научная новизна проведенных исследований определяется как использованием глобальной численной модели верхней атмосферы Земли (UAM) в качестве инструмента исследований глобальной динамики термосферы в комплексе с эмпирическими моделями термосферы и экспериментальными данными о параметрах термосферы, так и результатами, полученными впервые:
1. Для конкретных геомагнитных бурь с помощью модели UAM выделены как общие закономерности, так и относительно локальные особенности глобального перераспределения основных параметров термосферы, включая такие новые свойства термосферы, как формирование приэкваториальных минимумов в глобальном распределении температуры и плотности нейтрального газа на дневной стороне верхней термосферы (400 км) и зависимость параметров этих минимумов от геомагнитной активности.
2. На основе численных экспериментов с помощью модели UAM впервые определен относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формировании приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы.
3. Впервые предложен механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны — тепловые электроны — ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что они могут быть использованы как для интерпретации данных наблюдений, так и для совершенствования эмпирических моделей верхней атмосферы как параметров, необходимых для вычисления торможения искусственных спутников Земли и других космических аппаратов. Последнее в значительной степени относится к результатам сопоставления модели UAM с моделью NRLMSISE-00.
Достоверность полученных результатов обусловлена физической обоснованностью известных исходных уравнений и принципов, на которых базируется глобальная численная модель верхней атмосферы UAM, согласием результатов расчетов как с данными измерений параметров термосферы, так и с эмпирическими моделями атмосферы, как обобщением экспериментальных данных.
На защиту выносятся:
1. Выявленная степень точности глобальной теоретической модели верхней атмосферы Земли UAM по параметрам верхней термосферы. Установлено, в частности, что погрешности модели UAM сопоставимы с погрешностями современных эмпирических моделей как для спокойных периодов, так и для периодов геомагнитных бурь. При этом UAM, в отличие от модели MSIS, воспроизводит приэкваториальный минимум плотности нейтральных частиц. Термосферная циркуляция по UAM, в отличие от модели HWM, правильно отражает вихревую структуру этой циркуляции в высоких широтах.
2. Установленный относительный вклад основных причин нагрева и охлаждения термосферы в формирование приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы в дневные часы; оценена относительная роль основных процессов в глобальной перестройке термосферы в период конкретных геомагнитных бурь.
3. Выявленный механизм формирования приэкваториальных минимумов температуры и плотности верхней термосферы на дневной стороне, в котором основную роль играют солнечное ионизирующее излучение, передающее свою энергию нейтральному газу по цепочке фотоны - фотоэлектроны - тепловые электроны - ионы, и суточное вращение Земли, создающие соответствующую приливную структуру.
Личный вклад автора. Автором с помощью модели UAM выполнены модельные расчеты и численные эксперименты по изучению поведения термосферы Земли в геомагнитно-спокойных и возмущенных условиях. По результатам расчетов построены карты глобального распределения и временные вариации основных термосферных параметров, проведен анализ и дана физическая интерпретация полученных результатов. Автор принимала участие в обсуждении, подготовке и написании тезисов, статей и докладов по теме диссертации.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях: Всероссийских научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2002, 2003); Международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск 2004, 2005, 2006, 2008, 2009); XXV-XXXI семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты 2002 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009); European Geosciences Union General Assembly 2006 (Vienna, Austria, 2006); 4th, 5th, 6th и 7th International Conference "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008); IUGG XXIV General Assembly (Perugia, Italy, 2007).
По теме диссертации опубликована 31 работа, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 12 работ в трудах научных конференций и 16 тезисов докладов.
Структура диссертации. Данная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 123 страницы текста, в том числе 25 рисунков и 17 страниц библиографии, содержащих 213 ссылок.
