WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В четвертых, найденное предельное соотношение между значениями концентраций OH и O3 может быть использовано для повышения точности измерений этих компонент в мезосфере и нижней термосфере.

Результаты работы использовались при выполнении проектов РФФИ, Программы фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований» и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы нелинейной динамики».

Личный вклад. Из указанных ниже публикаций по теме диссертации работы [3*-4*, 8*-11*, 13*, 16*-17*] выполнены совместно с научным руководителем, в работах [1*, 5*, 7*, 15*, 1*8], также выполненных совместно с научным руководителем, Г.Р. Зоннеманн принимал участие в тестировании алгебраического блока базовой динамической модели мезосферной фотохимической системы с помощью трехмерной модели фотохимии мезосферы и нижней термосферы, работы [2*, 6*, 12*, 14*, 20*] выполнены диссертантом без соавторов, в работе [19*] диссертант является научным руководителем своего соавтора (А.П. Гаштури).

Апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах и конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН, совещаниях по программе фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований», на международных конференциях: 4-ом и 5-ом Рабочих совещаниях программы «REACTOR» Европейского научного фонда (2003 г., Будапешт, Венгрия; 2004г., Прага, Чехия), 35-ой Научной ассамблеи COSPAR (2004г., Париж, Франция), Генеральной ассамблеиЕвропейского союза наук о Земле (2005 г., Вена, Австрия), Международном симпозиуме «Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (2005 г., Санкт-Петербург – Нижний Новгород, Россия); на всероссийских конференциях: 9-ой Всероссийской школе-семинаре «Волны – 2004» (Москва), 7-ой, 8-ой, 9-ой и 10-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «МАПАТЭ» (2003г., Нижний Новгород; 2004г., Москва; 2005г., Борок; 2006г., Москва), 12-ой и 13-ой Научной школе «Нелинейные Волны» (2004 и 2006 г.г., Нижний Новгород), XV научной сессии Совета по нелинейной динамике (2006г., Москва).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в реферируемых российских и международных научных журналах, 2 препринтах ИПФ РАН, 2 отчетах по программе фундаментальных исследований ОФН РАН, 4 сборниках трудов и 6 сборниках тезисов всероссийских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Всего в работе 55 рисунков, три таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 76 наименований. Общий объем диссертации 115 листов.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и решаемые задачи, изложены основные результаты и пояснена их научная и практическая ценность, приведена структура диссертационной работы.

Первая глава содержит необходимую информацию о мезосферной фотохимической системе (МФХС), ее нелинейно-динамических свойствах и базовой динамической модели.

В § 1.1 дано общее описание МФХС: представлены основные фотохимические реакции, определяющие эволюцию наиболее важных компонент мезосферы (O, O(1D), O3, H, OH, HO2) с временным масштабом = 104–106 с, указаны ключевые управляющие параметры МФХС (температура воздуха, зенитный угол Солнца и высота), предъявлены аргументы, на основании которых концентрацию H2O на рассматриваемом временном масштабе так же можно считать параметром МФХС, проведены оценки степени важности реакций с участием четных соединений водорода, показывающие, что при решении поставленных задач эти реакции можно не учитывать.

В § 1.2 кратко изложены результаты предшествующих работ [2, 4-11], в которых исследовались нелинейно-динамические свойства МФХС. Во-первых, представлены результаты нуль-мерного анализа, свидетельствующие о возможности нелинейного отклика МФХС на суточные вариации освещенности на высотах области мезопаузы, и приведено несколько примеров нетривиального поведения МГС мезосферы в зависимости от значений управляющих параметров. Во-вторых, суммированы результаты исследований влияния одного из наиболее важных типов мезосферного переноса – вертикальной турбулентной диффузии. Этот тип переноса приводит к существенному обеднению спектра возможных режимов поведения МФХС: при возможных в летнее время значениях коэффициента вертикальной диффузии [12] Dzz ~ (2·104 см2/с - 7·104) см2/с в районе мезопаузы "выживает" четырехсуточный режим осцилляций МФХС, а при значениях Dzz ~ (7·104 - 2·105) см2/с - двухсуточный режим. Более сложные режимы поведения МФХС (например, трехсуточный или хаотический) исчезают при значительно меньших значениях Dzz ~ (5·102 – 8·102) см2/с, которые не реализуются в реальных условиях верхней мезосферы. В зимних условиях (при диффузии, существенно большей 2·105 см2/с) режим поведения становится односуточным, т.е. нелинейный отклик МФХС оказывается полностью подавленным диффузионными процессами.

В § 1.3 указаны главные особенности субгармонических режимов поведения МФХС, которые не принималась во внимание в предшествующих работах. Во-первых, данные осцилляции являются вынужденными, однако при одном и том же значении фазы внешнего воздействия (суточных вариаций освещенности) фаза субгармонических осцилляций в зависимости от начальных условий может принимать дискретный ряд значений:

,,,,

где N – число суток, составляющих период осцилляций. Во-вторых, горизонтальное распределение без учета диффузионной связи химических осцилляторов, разнесенных в горизонтальном направлении, может быть произвольным, а распределение концентраций МГС - существенно неоднородным. В частности, в окрестностях резких скачков фазы субгармонических осцилляций возникают резкие перепады концентраций МГС мезосферы. В-третьих, вследствие зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности ( непрерывно меняется от 0 до ), на зональной окружности имеется, по крайней мере, один резкий фазовый перепад субгармонических осцилляций даже в случае. В-четвертых, наличие резких перепадов концентраций МГС делает необходимым учет горизонтальной турбулентной диффузии, которая приводит к «сглаживанию» фазовых и концентрационных перепадов. На основании оценок баланса фотохимических и диффузионных процессов показано, что соответствующий масштаб горизонтальный неоднородности концентраций МГС должен составлять ~ (100-300) км.

В § 1.4, во-первых, изложен метод построения базовых динамических моделей (БДМ) атмосферных фотохимических систем (ФХС), предложенный в работах [1-5]. Основная идея построения таких моделей состоит в разделении переменных системы (концентраций МГС) на три группы в соответствии с соотношением между характерными временами их жизни и временным масштабом изучаемого явления. Переменные из первой группы, для которых, являются параметрами. Переменные из второй группы являются «быстрыми»:, с учетом диссипативности атмосферных фотохимических систем полагается, что они находятся в состоянии мгновенного устойчивого равновесия. Их "мгновенно-равновесные" значения определяются (в случае нуль-мерных моделей) из системы алгебраических уравнений, получаемых приравниванием нулю производных по времени в отвечающих им уравнениях химической кинетики, и являются в общем случае нелинейными функциями от параметров и отнесенных к третьей группе «медленных» переменных, эволюция которых с характерным временем описывается дифференциальными уравнениями. Важная особенность атмосферных ФХС состоит в том, что определенные группы быстрых переменных (разных для различных атмосферных ФХС) могут образовать медленные семейства, характерное время жизни которых существенно превышает индивидуальные времена жизни входящих в них быстрых компонент. В таком случае для корректного моделирования с помощью БДМ в ней необходимо учесть дополнительное дифференциальное уравнение, описывающее медленную эволюцию концентрации семейства, а из вырожденной системы алгебраической уравнений удалить одно (любое) уравнение для одной из быстрых компонент этого семейства.

Во-вторых, в § 1.4 представлена БДМ МФХС. Она представляет собой систему семи уравнений, два из которых являются дифференциальными уравнениями первого порядка по времени для концентрации O и полной концентрации семейства нечетного водорода HOx (H+OH+HO2), а оставшиеся пять образуют систему алгебраических уравнений, которая связывает значения быстрых компонент (O(1D), O3, H, OH, HO2) со значениями медленных переменных (O и HOx) и параметров БДМ.

В-третьих, проведено обобщение указанного выше метода на случай построения БДМ МФХС с учетом процессов переноса. На основании оценок «индивидуальных» характерных времен различных механизмов мезосферного переноса (молекулярная и турбулентная диффузия, горизонтальный и вертикальный ветра, планетарные и внутренние гравитационные волны) и их сравнения с фотохимическими временами жизни быстрых и медленных переменных МФХС сделан вывод, что все перечисленные процессы переноса оказываются «медленными» в смысле, указанном выше:. Поэтому концентрации быстрых компонент во всем моделируемом диапазоне высот (50-90 км) связаны с концентрациями медленных компонент алгебраическими соотношениями, полученными в рамках нуль–мерной БДМ, и для корректного описания процессов переноса в БДМ МФХС достаточно включить их только в уравнения для медленных переменных. Проведено прямое сравнение результатов расчета БДМ и полной модели МФХС, произведенных с учетом разных типов процессов переноса. Показано, что результаты расчета БДМ МФХС практически идеально (как с качественной точки зрения, так и с количественной) воспроизводят результаты полной модели.

В § 1.5 проведено численное тестирование системы алгебраических уравнений БДМ МФХС в условиях, отвечающих данным CRISTA – MAHRSI (дневное время суток). Показано, что во всем моделируемом диапазоне высот данная система уравнений с хорошей точностью (не хуже 3%) описывает соотношения между O(1D), O3, H, OH, HO2, O и HOx. В данном параграфе также отмечено, что такого количества (5 уравнений) априорных связей оказывается достаточно, чтобы, обладая информацией об одновременных значениях концентраций любых двух химических компонент МФХС, восстановить значения оставшихся компонент этой системы и, таким образом, определить значения динамических переменных БДМ МФХС и почти всех (кроме членов, пропорциональных концентрации H2O, и членов, описывающих перенос) слагаемых, входящих в дифференциальные уравнения медленных переменных.

Во второй главе исследовано воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны (КДВ) на фотохимические осцилляции с периодом двое суток.

В § 2.1 представлено описание основных свойств летних КДВ (направление распространения, период, зональное волновое число, локализация по высоте и широте, величины амплитуд осцилляций температуры, зональной и меридиональной компонент скорости ветра), зарегистрированных проявлений этих волн в поведении МГС и теоретически предсказанных изменений основных характеристик мезосферы и нижней термосферы Земли, вызываемых этими волнами.

В § 2.2 представлены исходные трехмерные уравнения непрерывности медленных компонент МФХС, в которых влияние КДВ учитывается посредством локальной модуляции констант фотохимических реакций и через периодический перенос МГС мезосферы зональным, меридиональным и вертикальным ветром волны. Проведен качественный анализ отдельных членов этих уравнений с целью выделения наиболее существенных механизмов влияния КДВ на МФХС, которые можно рассмотреть, исходя из уравнений меньшей размерности. При этом применялся общепринятый метод, основанный на оценке характерных времен переноса по сравнению с фотохимическим временем эволюции МФХС. Необходимая информация о характерных значениях скорости среднего зонального ветра и амплитуд вариаций всех характеристик КДВ бралась из данных, полученных спутниковыми приборами WINDII и HRDI в январе 1993-1994 гг. На основании проведенных оценок сделаны следующие выводы: (1) перенос вертикальной компонентой скорости ветра в волне оказывается наиболее существенным механизмом воздействия КДВ на фотохимию во всех точках пространства, где возможны двухсуточные фотохимические осцилляции; (2) перенос горизонтальными компонентами скорости ветра в волне и средним зональным ветром оказывается важным в окрестностях резких градиентов фазы двухсуточных осцилляций; (3) в других областях, где фаза двухсуточных осцилляций изменяется (в пространстве) сравнительно медленно, влиянием горизонтального переноса в первом приближении можно пренебречь. Последнее оказывается справедливым и для механизмов, связанных с локальной модуляцией основных параметров МФХС.

В § 2.3 представлено описание используемых моделей, а так же численной схемы их интегрирования с указанием пространственного разрешения, метода интегрирования и его точности, начальных и граничных условий, высотно-широтных распределений усредненных по зональной координате концентрации H2O, температуры и давления. Для анализа влияния вертикального ветра КДВ на фотохимические осцилляции с периодом двое суток использовалась одномерная БДМ МФХС с учетом вертикальной турбулентной диффузии (с коэффициентом диффузии, при котором двухсуточный режим остается единственным режимом нелинейного отклика МФХС на суточные вариации освещенности) и вертикального периодического переноса. При анализе влияния на обнаруженные эффекты среднего зонального ветра и горизонтального ветра в КДВ производился переход в новую систему отсчета, в которой слагаемое, связанное с горизонтальным переносом, исчезает. Это позволило исследовать двумерные ситуации с помощью одномерной модели и, в конечном итоге, привело к существенной (более чем, в 100 раз) экономии машинного времени.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»