WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Грицевич Мария Игоревна ИНТЕРПРЕТАЦИЯ НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ МЕТЕОРОВ И БОЛИДОВ 01.02.05. Механика жидкости, газа и плазмы 01.03.04. Планетные исследования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Московском Государственном Университете имени М.В.Ломоносова

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Стулов Владимир Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Багров Александр Викторович доктор физико-математических наук, профессор Турчак Леонид Иванович

Ведущая организация: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»

Защита состоится 19 марта 2009 года в 14 00 на заседании Диссертационного совета Д 002.058.01 при Институте математического моделирования РАН по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 4а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИММ РАН

Автореферат разослан 25 декабря 2008 года

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 002.058.01, доктор физико-математических наук, профессор Змитренко Николай Васильевич I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью создания универсальных методов, позволяющих корректно определять параметры метеоров и болидов по наблюдательным данным. Для наблюдений метеоров организовывается работа фотографических патрульных служб, состоящих из нескольких станций. Станции располагают на достаточно большом расстоянии (порядка 100 км) и снабжают специальными камерами, непрерывно фотографирующими значительную часть неба. Такого рода наблюдения ведутся в географически различных регионах уже более полувека, при этом интенсивно развиваются как сами болидные сети, так и инструментальные методы наземных наблюдений. К сожалению, гораздо более скромными темпами совершенствуются методы обработки зарегистрированных наблюдателями данных. Так, из многих тысяч сфотографированных в атмосфере метеорных тел, до сих пор удалось обнаружить и идентифицировать всего лишь несколько метеоритных падений.

Напротив, подавляющее большинство в метеоритных коллекциях составляют «находки», т.е. метеориты, найденные случайно.

Правильное математическое моделирование метеорных явлений способствует формированию фундаментальных представлений о материи в космосе. Полученные более надежные данные о массах и коэффициентах абляции вторгающихся тел имеют значение для ряда приложений - исследования астероиднокометной безопасности, разработки мер планетарной защиты, а также для обоснованного и своевременного поиска тел, способных достичь поверхности Земли.

Цели и задачи работы Главной целью работы является построение концептуально нового метода обработки наблюдений метеоров и болидов, позволяющего изучать движение метеорных тел и правильно определять их основные параметры. На основе разработанного метода анализируются доступные экспериментальные данные. В частности, в работе проводится:

– исследование и сопоставление основных теоретических зависимостей, используемых при аппроксимациях наблюдаемых траекторий движения метеорных тел, – определение области допустимых значений параметров задачи, при которых использование применяемого ранее приближенного решения имеет физический смысл, – расчет по одним и тем же начальным данным новым и предшествующим способом, с целью оценки относительной погрешности последнего на конкретных примерах, – получение надежных числовых значений параметра уноса массы и баллистического коэффициента по реальным наблюдениям ярких метеоров Канадской болидной сети и Прерийной сети США, – оценка массы метеорных тел в начальной и в последующих точках траектории, – оценка характерных высот, соответствующих различным режимам обтекания метеорного тела Научная новизна работы заключается в разработанном методе обработки наблюдений метеоров и болидов. В основу метода впервые положена и реализована идея аппроксимации данных наблюдений непосредственно аналитическим решением уравнений метеорной физики. В новом методе полностью снято ограничение на величину параметра уноса массы (и на величину коэффициента абляции), что позволило изучить движение метеорных тел и корректно определить их параметры, в том числе и в условиях значительного уноса массы.

Автором впервые получены и выносятся на защиту следующие основные положения:

Получено предельное значение параметра уноса массы, при котором приближенное решение применимо для описания траектории в рамках рассматриваемой модели во всем теоретически возможном диапазоне скоростей.

Сформулирована система уравнений, решением которой определяются искомые параметры метеорных тел; получено достаточное условие, позволяющее проверить корректность найденного решения.

Путем численного решения полученной системы определены значения параметра уноса массы и баллистического коэффициента для ряда фотографически зарегистрированных метеорных тел. Построены новые модели входа для болидов Пржибрам, Лост Сити, Иннисфри, Нойшванштайн.

На основе аналитического решения уравнений метеорной физики получена формула для вычисления ускорения метеорного тела.

Достоверность результатов, представленных в диссертации, базируется на использовании общепризнанных моделей физических явлений, методов и подходов газовой динамики, проверенных численных методов. Все численные методы и программы, использованные при получении результатов, тщательно проверялись на известных решениях и специальных тестах. Правильность выбранных теоретических подходов подтверждается результатами, полученными в работе на основе анализа атмосферных траекторий известных болидов, после фотографической регистрации которых на поверхности Земли были найдены метеориты. В частности, оценки массы болидов, оставшейся в заключительной части траекторий, хорошо согласуются с общей массой обнаруженных метеоритов во всех рассмотренных случаях.

Практическая ценность Полученные достаточно надежные числовые значения параметра уноса массы и баллистического коэффициента позволяют аппроксимировать имеющиеся наблюдательные данные. Эти значения необходимы для последующей оценки других ключевых параметров таких, как внеатмосферная масса, размерный коэффициент абляции, эффективная энтальпия испарения метеорных тел. Кроме того, владея информацией о массе тела на заданной высоте, в зависимости от его плотности, можно оценить его характерный размер, определяющий режим течения в лобовой части ударного слоя.

Развитый метод по определению динамических оценок, убедительно доказывает несостоятельность концепции существующего фотометрического подхода, господствующего сегодня в литературе, и в дальнейшем мог бы способствовать развитию более правильной интерпретации светимости метеорных тел, с учетом основных физических факторов, способных влиять на эту величину.

Апробация Работы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на научных семинарах кафедры аэромеханики и газовой динамики (под руководством академика РАН Г.Г.Черного), кафедры газовой и волновой динамики (под руководством академика РАН Е.И.Шемякина) механико-математического факультета МГУ, на научных семинарах в НИИ Механики МГУ (под руководством академика Г.Г.Черного, проф., д.ф.-м.н. В.П.Стулова), в Институте астрономии РАН (под руководством д.ф.-м.н. М.А.Смирнова), в Институте Небесной механики и расчета эфемерид IMCCE (Париж, Франция), в Институте Математического Моделирования РАН (под руководством проф., д.ф.-м.н. Е.И.Леванова), в Вычислительном центре РАН им. А.А.Дородницына (под руководством д.ф.-м.н. В.И.Зубова), где получили высокую оценку.

Основные положения и результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались в школе-семинаре “Современные проблемы аэрогидродинамики”, Туапсе, “Буревестник” МГУ, 2006 г., на Ломоносовских чтениях МГУ, 2006 г., на конференции-конкурсе молодых ученых, Москва, НИИ Механики МГУ, 2005, 2006, 2007 гг., на VI-й научно-технической конференции «Молодежь в науке», Саров, ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2007 г., а также были представлены на ряде международных конференций, в том числе на Европейском конгрессе по науке о планетах в 2006 (Берлин, Германия), в 2007 (Потсдам, Германия) и в 2008 гг. (Мюнстер, Германия), на конференции по Планетарной Защите, 2007 г., (Вашингтон, США), на Международной Метеорной конференции IMC, в 2007 (Бареж, Франция) и в 2008 гг. (Банска-Быстрица, Словакия), на конференции Метеороиды, 2007 г., (Барселона, Испания), на 37-ой Научной Ассамблее Комитета по Космическим Исследованиям (Монреаль, Канада) в 2008 г.

Опубликованные работы отмечены дипломами победителя конкурсов научных работ на присуждение грантов поддержки талантливых студентов, аспирантов и молодых ученых МГУ им. М.В. Ломоносова 2006 и 2007 гг. (цикл статей «Исследование метеорных явлений в атмосфере Земли методами математического моделирования» в 2006 г. и цикл работ «Определение внеатмосферных масс метеороидов на основе наблюдений» в 2007 г.). Дипломная работа автора «Определение внеатмосферных масс болидов Канадской сети» заняла второе место на ежегодном конкурсе курсовых и дипломных работ механико-математического факультета МГУ в 2007 г.

Публикации и личный вклад автора Представленные в диссертации результаты опубликованы в 25 научных работах. Все основные результаты диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК. Автором осуществлялась идейная постановка развитого метода интерпретации наблюдений метеоров и болидов, его реализация; написание программы для решения полученных трансцендентных уравнений; проведение численных расчетов; анализ экспериментальных данных и их сравнение с результатами, полученными в рамках других моделей; подготовка текстов публикаций, а также переписка с редакциями журналов и рецензентами.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 118 страницах, включает в себя 12 рисунков, 14 таблиц, 108 библиографических ссылок.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, приведен обзор существующих методов и предположений, применяемых при оценке параметров метеорных тел, обозначены цели и задачи диссертационной работы, ее научная новизна, представлены положения, выносимые на защиту.

В главе 1 сформулирована газодинамическая задача о движении метеорного тела с очень большими скоростями в среде с сопротивлением, приведены основные дифференциальные уравнения движения и их известное аналитическое решение [1]:

m = exp - (1- v2) (1) 1- µ x ezdz y = ln + - ln, = Ei - Ei(v2), Ei(x) =, (2) ( ) 2 z отражающее зависимость формы светящегося участка траектории от двух безразмерных параметров и, характеризующих торможение и абляцию метеорного тела в атмосфере:

1 0h0 Se chVe = cd, = 1- µ.

( ) 2 Me sin 2cd H (3) В формулах (3) угол траектории, коэффициенты сопротивления cd и теплообмена ch, а также эффективная энтальпия разрушения H* - постоянные величины. Безразмерные переменные введены следующим образом: M=Mem, V=Ve, h=h0y, S=Ses ( M,V – масса и скорость тела, Me,Ve – масса и скорость тела в момент входа в атмосферу, h – высота над поверхностью планеты, h0 – высота однородной атмосферы, S – площадь миделева сечения тела, 0 - плотность атмосферы у поверхности планеты). В выражении для участвует параметр изменения формы метеороида µ, позволяющий записать закон изменения формы тела в следующем виде: µ = logms.

Из-за наличия интегральной экспоненты, аналитическое решение (2) ранее заменялось приближенным выражением, справедливым при ограниченных значениях параметра уноса массы, и аппроксимирующем зависимость самого решения (2) от параметра линейной функцией [1]:

y = ln - ln v + 0,83 1- v (-ln ) ( ) (4) Очевидно, использование аппроксимации (4) понижает точность дальнейших расчетов. Методы оказываются менее эффективными, а полученные с их помощью результаты - менее достоверными. Более того, при любом > e/0. 3.275, функция (4) имеет на интервале 0

Другими словами возникает необходимость в новом методе интерпретации наблюдений, преимуществом которого будет использование непосредственно аналитического решения (2), без перехода к упрощенному выражению (4).

Строгий математический алгоритм подбора параметров, при которых теоретическая зависимость высоты от скорости движения болида (2) наилучшим образом аппроксимирует данные наблюдений на светящемся участке траектории изложен во втором разделе.

Итак, пусть известны значения высоты и скорости полета в отдельных точках – hi и Vi, (i=1,…,n), n 3, где Ve=V1 – начальная скорость входа. Баллистический коэффициент характеризует интенсивность торможения, так как он пропорционален отношению массы столба атмосферы с поперечным сечением Sе вдоль траектории к массе тела. Параметр уноса массы пропорционален отношению доли кинетической энергии единицы массы тела, поступающей к телу в виде тепла, к эффективной энтальпии испарения. Поэтому при подборе этих параметров основной акцент следует делать на наилучшую аппроксимацию именно того участка траектории, где торможение и абляция достаточно четко выражены.

Другими словами, особую ценность представляют собой наблюдения на заключительном этапе, предшествующем полному погасанию болида. Универсальным алгоритмом решения такой задачи является применение взвешенного метода наименьших квадратов, позволяющего регулировать вклад тех или иных данных в результат. С другой стороны, расстановка весов вручную затруднила бы исследование, сделала бы его недостаточно объективным. Заметим, что по мере приближения метеорного тела к поверхности Земли значения высоты и скорости полета уменьшаются, поэтому к корректному результату удается придти, переходя от рассмотрения самих y к e-y, т.е. путем использования зависимости (2) в следующей форме:

x etdt 2 exp y - exp(- ) = 0, = Ei - Ei(v2), Ei(x) = (5) (- ) ( ) t Если бы существовали такие значения параметров и, при которых все пары yi=hi/h0, i=Vi/Ve в точности удовлетворяли (5), то, очевидно, теоретическая кривая (2) с этими параметрами проходила бы через все точки наблюдений. Будем искать оценки для и, основываясь на минимизации суммы квадратов значений левой части соотношения (5):

Pages:     || 2 | 3 |






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