WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 550.388.2+551.509.33 АХМЕДОВ Раван Рамин оглы ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИКОГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН И ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ НАЗЕМНЫХ И АТМОСФЕРНЫХ ИСТОЧНИКОВ Специальность 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004 г.

Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, КУНИЦЫН Вячеслав Евгеньевич профессор

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, КУТУЗА Борис Георгиевич профессор доктор физико-математических наук, ШУВАЛОВ Валерий Викторович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физики СанктПетербургского Государственного Университета

Защита диссертации состоится «22» апреля 2004 г.

в часов на заседании Диссертационного совета Д501.001.63 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, физический факультет, аудитория _

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «19» марта 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д501.001.63 кандидат физ.-мат. наук В.Б. СМИРНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В конце XIX века ученые начали обращать внимание на то, что сила тяжести и стратификация геофизических сред сильно модифицируют распространяющиеся в них звуковые волны. С тех пор начались первые теоретические исследования свойств распространения акустико-гравитационных волн (АГВ) в атмосфере. Наряду с этим, с развитием радиотехнических средств, в середине XX столетия начались наблюдения перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ). Впервые в 1960м году ПИВ были интерпретированы как проявления АГВ в ионосфере [1]. С тех пор с помощью различных методов ведутся интенсивные наблюдения АГВ в нижней и верхней атмосфере. В 90-х годах, с развитием дистанционных методов зондирования ионосферы с помощью спутников [2-5], начался новый «бум» в области исследования ионосферных возмущений. Радиотомографические методы позволили получить двумерные сечения ПИВ. Существующие радиотомографические системы и сеть приемников GPS/ГЛОНАСС дают возможность исследовать данное явление непрерывно в широких временных и пространственных масштабах. В течение почти 50 лет был накоплен огромный экспериментальный материал об ионосферных возмущениях, вызванных источниками разной природы. Среди таких источников особую роль играют сильные землетрясения, ядерные испытания, промышленные взрывы, сверхзвуковые полеты ракет и т.д.

Исследование отклика ионосферы на такие антропогенные и природные источники имеет большое значение для физики атмосферы, так как это позволяет подробно изучить различные физические процессы, происходящие в атмосфере.

Земная атмосфера является уникальной лабораторией для изучения многих сложных физических процессов, таких как, генерация и распространение крупномасштабных волн, ударных волн, возникновение неустойчивых образований в ионосферной плазме и т.д. Изучение данной проблемы актуально в связи с необходимостью обоснования надежных сигнальных признаков техногенных воздействий (запуски ракет, несанкционированные взрывы и подземные ядерные испытания) [5,11]. Кроме того, результаты этих работ могут быть использованы для идентификации откликов от цунами и предвестников землетрясений в ионосфере [6,7].

Несмотря на огромное количество экспериментальных данных, лишь в относительно небольшом количестве работ были сделаны попытки с теоретических позиций объяснить наблюдаемые возмущения в атмосфере и ионосфере от наземных и атмосферных источников [6-12]. Следует отметить, что работы в данном направлении сыграли существенную роль в понимании механизма связей в системе литосфера – атмосфера – ионосфера [1]. Эти исследования внесли большой вклад в развитие теории распространения АГВ в атмосфере и т.д. Несмотря на это, до настоящего времени отсутствует полная интерпретация данных наблюдений [4,6]. Как правило, в предшествующих теоретических работах акустические волны (АВ) [11], внутренние гравитационные волны (ВГВ) [9], нелинейность среды, влияния вязкости, стратификации и зонального ветра на распространение волн рассматривались обособлено друг от друга. В результате этого, ни одна из существующих моделей не может объяснить весь спектр атмосферных и ионосферных возмущений, возбуждаемых источниками разной природы. Что касается моделирования атмосферных волновых возмущений, генерированных во время сверхзвукового движения ракет, то эта задача интересна и еще тем, что здесь мощный источник возбуждения находиться прямо в верхней атмосфере.

В последнее десятилетие в связи c увеличением быстродействия компьютеров и развитием вычислительной гидродинамики зародилось новое направление в физике атмосферы - исследование распространения атмосферных волн с помощью численного решения нелинейных уравнений геофизической гидродинамики [13].

Применение таких численных методов позволяет учесть совместно все факторы, влияющие на распространения АГВ с конечной амплитудой в реальной диссипативной среде.

Цели работы:

• Разработка численного метода для моделирования распространения АГВ с конечной амплитудой на большие горизонтальные и вертикальные расстояния;

• Моделирование генерации АГВ и волнообразных ионосферных возмущений от разного типа источников: наземных импульсных и длиннопериодных источников, сверхзвуковых полетов ракет;

• Сопоставление результатов моделирования с данными наблюдений.

Новизна результатов:

• Предложена система уравнений геофизической гидродинамики и граничные условия, позволяющие провести численное моделирование генерации и распространения АГВ от источников разной природы;

• Разработан численный алгоритм для решения системы уравнений вместе с соответствующими начальными и граничными условиями с помощью конечноразностного метода;

• Промоделирована генерация волн от разного типа источников: сильных землетрясений, подземных ядерных взрывов, поверхностных волн Рэлея, длиннопериодных наземных источников, сверхзвуковых движений ракетоносителей;

• Впервые с помощью конечно-разностного метода были получены вместе две ветви спектра акустико-гравитационных волн – акустические волны и внутренние гравитационные волны;

• Впервые были построены кривые чувствительности (отклика) нейтральной атмосферы на воздействие поверхностных источников с разными периодами;

• Впервые были промоделированы волнообразные вариации электронной плотности в ионосфере с учетом геомагнитного поля на больших временных и пространственных масштабах, генерированные вышеуказанными источниками;

• Впервые с помощью разработанной модели были интерпретированы возмущения полного электронного содержания в ионосфере по разным направлениям лучей, связывающих спутники и приемники.

Научная и практическая ценность работы. Используя разработанную численную модель, можно исследовать свойства АГВ, генерированных источниками разных видов, такими как движение солнечного терминатора, экваториальные и полярные токовые системы, тропические циклоны и т.д.

Полученные численные результаты могут быть использованы для выделения и идентификации отклика в ионосфере от слабых длиннопериодных колебаний земной поверхности, наблюдаемых в некоторых случаях перед землетрясениями, зарегистрировать которые крайне трудно традиционными сейсмическими методами. Развитая модель позволяет исследовать нелинейный режим распространения АГВ и распространение слабых ударных волн в атмосфере.

Результаты работы могут быть использованы в будущем для разработки и постановки экспериментов по наблюдению атмосферных и ионосферных возмущений, генерированных источниками разной природы. Полученные графические и мультимедийные материалы могут применяться в учебных курсах как наглядное пособие для изучения свойств АГВ в атмосфере.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XII Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (Москва, 2001), XX Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002), на V сессии Байкальской молодежной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2002), Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (Санкт-Петербург, 2003), Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза (Nice, 2003), LVIII Научной Сессии НТОРЭС им. А.С.

Попова (Москва, 2003), международной конференции и школе для молодых ученых «Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде» (Томск, 2003). По теме диссертации опубликовано 12 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Защищаемые положения.

1. Система нелинейных уравнений гидродинамики и соответствующие граничные условия, позволяющие описывать распространение интенсивных АГВ в двумерной и трехмерной сжимаемой плоскопараллельной атмосфере, с учетом реальной стратификации и зонального ветра. Граничные условия позволяют включить наземные источники с разными характеристиками и цилиндрический звуковой источник, возникающий во время сверхзвукового полета ракет.

2. Численный метод для решения соответствующих систем уравнений геофизической гидродинамики.

3. Результаты моделирования пространственных и временных распределений возмущений плотности и температуры нейтральной атмосферы, скорости гидродинамических частиц, плотности волновой энергии АГВ, генерированных наземными и атмосферными источниками.

4. Результаты моделирования пространственных и временных распределений возмущений электронной концентрации в ионосферной плазме, генерированных наземными и атмосферными источниками при разных моделях нейтральной атмосферы и ориентации магнитного поля.

5. Результаты моделирования вариаций полного электронного содержания в разных направлениях в возмущенной ионосфере, для разного рода источников.

6. Кривые чувствительности (отклика) нейтральной атмосферы на наземные источники с разными периодами.

7. Результаты трехмерного моделирования возмущений нейтральной атмосферы от наземных источников.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит _ страниц текста, _ рисунков.

Краткое содержание работы.

Во введении сформулированы основные цели и задачи диссертации, представлена актуальность данных исследований и научная новизна, перечислены защищаемые положения и кратко изложено содержание всех глав диссертации.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованиям АГВ в атмосфере и ионосфере. Глава состоит из трех параграфов.

Первый параграф посвящен общим свойствам распространения АГВ в атмосфере. Приводятся основные спектральные характеристики АВ и ВГВ, захваченных АГВ, механизмы диссипации волн и т.д. Более энергетическая часть этих волн – ВГВ играет большую роль в циркуляции атмосферы, и их параметризация имеет важное значение в мезомасштабных и глобальных моделях атмосферы [14]. Кроме того, ВГВ являются одним из основных механизмов передачи энергии из нижних слоев атмосферы в термосферу.

Второй параграф посвящен механизмам генерации АГВ. Источники генерации могут быть антропогенными или природными. Характеристики АГВ также зависят от свойств источников. Такие источники, как конвективная неустойчивость, сдвиговая неустойчивость, орография, погодные фронты и т.д.

постоянно генерируют ВГВ в нижней атмосфере. Такие источники, как сильные землетрясения, мощные взрывы, запуски ракет и т.д. способны генерировать широкий спектр волн – от высокочастотных инфразвуковых до длиннопериодных ВГВ, которые распространяются на тысячи километров без заметного затухания.

В третьем параграфе дан обзор основных экспериментальных работ по изучению проявлений АГВ в ионосфере. Один из основных эффектов АГВ в ионосфере - это ПИВ и неустойчивые плазменные образования. С развитием средств наблюдения ионосферы стало возможным проведение непрерывного мониторинга ионосферных возмущений. Конкретный механизм формирования этих возмущений не до конца ясен.

Во второй главе рассмотрено построение численной модели.

В первом параграфе представлена система уравнений геофизической гидродинамики для моделирования распространения АГВ в атмосфере. С этой целью рассмотрены уравнения гидродинамики в общей форме. С помощью известных математических преобразований можно получить систему уравнений гидродинамики в эйлеровой форме, удовлетворяющую требованиям нашей задачи:

Pages:     || 2 | 3 |






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