WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Медведев Владимир Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕЗОСФЕРЫ, ТЕРМОСФЕРЫ
И ИОНОСФЕРЫ

05.13.18 – математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Калининград, 2011

Работа выполнена в Балтийском Федеральном Университете
имени И. Канта

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.И. Сухинов,

Южный федеральный университет

доктор физико-математических наук, А.А. Кулешов,

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

доктор физико-математических наук, профессор А.И. Лобанов,

МФТИ (университет)

Ведущая организация:

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) г. Москва

Защита состоится «___» ___________ 20____ г. в  ____ час ___ мин

на заседании диссертационного совета Д212.208.22 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу: 347928, Ростовская область, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, аудитория Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в ЮФУ по адресу 344049, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан «___» __________ 20___г.

Ученый секретарь                                        А.М. Целых
диссертационного совета Д212.208.22,

доктор технических наук                                

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Целью теоретических исследований верхней атмосферы и ионосферы является детальное описание основных свойств и процессов, в них протекающих. Решение этой проблемы позволит решать задачи обеспечения надёжной работы навигационных систем дальней радиосвязи, обеспечения полётов космических аппаратов и т. д. Как известно, область высот 50-500 км труднодоступна для экспериментальных исследований. В настоящее время разработаны различные методики экспериментов, но проведение этих экспериментов несет эпизодический характер и дает различные ошибки измерений. Несмотря на значительные экспериментальные успехи, достигнутые в последнее время в области исследования верхней атмосферы, математическое моделирование остается основным (достаточно дешевым) методом исследования этой области высот.

В теоретическом плане изучение этой области высот затруднено необходимостью учета сложных динамических и фотохимических процессов, таких, как турбулентное перемешивание, переходящее в молекулярную диффузию, поглощение нейтральным составом солнечного излучения и его эмиссия, большая плотность и многокомпонентность состава, малые компоненты О, О3, СО2, O2(1Δg), H2O, NO, концентрация которых существенно меньше основных N2, О2, но которые могут играть существенную роль как в тепловом балансе, так и в образовании ионосферы.

Все эти процессы описываются связанной, нелинейной системой дифференциальных уравнений первого и второго порядка. Времена жизни компонент в диффузионных и фотохимических процессах отличаются на несколько порядков величины внутри рассматриваемой области высот, что затрудняет использование традиционных численных методов и приводят к необходимости разрабатывать численные методы с учетом этих особенностей.

Однако отсутствие систематических экспериментальных данных затрудняет проверку правильности математических моделей и в то же время предъявляет к ним более высокие требования в смысле полноты учитываемых факторов и механизмов. Альтернативные механизмы мало изученных процессов правомочно могут быть включены в модель, если на их основе удается получить соответствие расчетов и имеющихся, хотя и малочисленных, данных эксперимента. Роль математических моделей и вычислительного эксперимента в связи с этим возрастает, так как они могут служить средством, указывающим цель проведения будущих натурных экспериментов и восполнять пробелы в экспериментальных данных.

В данной работе построена модель мезосферы и нижней термосферы (область высот 50-500 км). Эта область высот в настоящее время является наименее изученной частью верхней атмосферы. В то же время совокупность процессов, протекающих в ней ниже, в достаточно большой степени контролирует состояние вышележащих областей атмосферы. На высотах мезосферы формируется нижняя ионосфера — область D, в которой наблюдаются такие явления как внезапные ионосферные возмущения, аномально высокое зимнее поглощение радиоволн (зимняя аномалия) и ряд других, природа и механизмы которых до сих пор полностью не ясны.

Цель работы. Основной целью данной работы является получение высотно-временных распределений параметров (концентрации, температур, скоростей) нейтрального и ионного состава мезосферы, термосферы и ионосферы для средних широт, которая заключается в следующем:

  1. построение одномерной диффузионно-фотохимической математической модели мезосферы, термосферы и ионосферы, описывающей высотно-временное поведение основных, малых, возбуждённых, а также заряженных компонент, и, на основе вычислительного эксперимента по этой модели, объяснить существование отдельных явлений и особенностей поведения верхней атмосферы и ионосферы;
  2. разработать численные методы для решения дифференциальных уравнений, модели методом конечных разностей;
  3. построить контрольные примеры для проверки качества разработанных разностных схем численного  решения дифференциальных уравнений модели, провести тестирование разработанных разностных схем на контрольном примере;
  4. провести вычислительные эксперименты самосогласованного расчета высотно-временных распределений нейтральных и заряженных компонент и их температур с целью доказательства адекватности построенной модели путем сравнения с имеющимися экспериментальными данными и теоретическими предположениями, а также объяснить ряд особенностей и явлений, характерных для этой области высот;
  5. рассмотреть возможность применимости построенной модели в задачах распространения электромагнитных волн.

На защиту выносятся:

Одномерная нестационарная математическая модель мезосферы, термосферы и ионосферы, разностная аппроксимация уравнений и методы их решения, контрольные примеры, результаты вычислительных экспериментов и сравнение их с экспериментальными данными. Предложен новый источник образования окиси азота. Граничные условия второго порядка аппроксимации и распределенные граничные условия, объяснение высотной инверсии температуры нейтрального газа и зимней аномалии области D. Роль N2(v) и O2(v) в ионосферных процессах. Возможность применимости модели для условий распространения электромагнитных волн.

Научная новизна

1. Разработана одномерная, диффузионно-фотохимическая математическая модель, самосогласованно описывающая пространственно-временные вариации концентрации скоростей температур нейтральных, возбуждённых и заряженных компонент в области 50 - 500 км.

2. Для системы дифференциальных уравнений модели:

– построены разностные схемы, обладающие свойствами консервативности и численной устойчивости, способных воспроизводить задачу пограничного слоя, которые можно построить лишь для преобразованных исходных дифференциальных уравнений, а для системы уравнений модели (непрерывности, движения и теплового баланса) построена однородная полностью консервативная разностная схема;

- показана разностная схема со вторым порядком аппроксимации граничных условий с привлечением самого уравнения, а также показана возможность эффективного использования в виде граничных условий распределенные параметры (интегральное содержание, точки перегибов);

- получены различные варианты потокового варианта метода прогонки;

- приведен контрольный пример, позволяющий проверять диапазон применимости той или иной разностной схемы путем сравнения численных результатов расчетов с аналитическим решением и решением, полученным методом пробных функций.

3. Разработана новая фотохимическая схема образования окиси азота, которая впервые позволила согласовать рассчитанные и измеренные высотные распределения [NO] в области мезосферы.

4. На основе построенной модели проведены вычислительные эксперименты, которые объясняют стационарное поведение NO на высотах мезопаузы в течение суток, на основе чего получены новые аналитические выражения высотного поведения Tn, [NO], [Ne] с учётом современных представлений о зависимости температуру мезопаузы от уровня солнечной активности и других параметров в области мезосферы, которые могут быть использованы для тестирования сложных моделей, и показана необходимость учёта окиси азота в фотохимических процессах области Е и что малые азотные составляющие существенно влияют на перераспределение [O2+] и [NO+] в области 110 - 140 км и мало влияют на электронную концентрацию.

5. Впервые на основе новых гипотез предложен новый возможный механизм образования зимней аномалии в области D ионосферы. Полученные на этой основе результаты вычислительного эксперимента удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями [O], [O2(1g)], [NO] для условий зимней аномалии.

6. Рассмотрено влияние концентрации колебательных возбужденных O2(ν), N2(ν) компонент на параметры ионосферной плазмы. В частности:

- Представлена новая (без учета больцмановского распределения по колебательным уровням) математическая модель расчета концентрации колебательно-возбужденного молекулярного азота по уровням [N2(ν)], , которая позволила выявить минимальное количество колебательных уровней, необходимых для учета в ионосферных процессах F2 слоя, с колебательными уровнями 5, а также объяснить возможный механизм экранирования верхнего ионосферного слоя нижним, что происходит в реальной ионосфере.

- Путем вычислительного эксперимента показано, что ионизация O2* излучением Lα, может явиться существенным источником заряженных частиц в области D ионосферы.

7. Показана возможность практического использования построенной модели в целях распространения электромагнитных волн.

Достоверность результатов. Правильность выбранных методов проверяется на контрольных примерах. Полученные модельные расчеты проверяются путем сравнения их с имеющимися экспериментальными данными.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения поставленных задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях физики атмосферы и математического моделирования. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента, а также с результатами исследований других авторов.

Научная и практическая значимость результатов.

Разработанная математическая модель может применяться в задачах прогноза параметров среды и распространения электромагнитных волн. Разработанные алгоритмы численного решения системы гидродинамических уравнений могут быть использованы в качестве решения различных задач аэрогидродинамики. А также в качестве усовершенствованных вариантов, предлагаемых в компьютерных системах математических вычислений (Mathcad, Matlab, Maple и т.д.). Полученные аналитические выражения высотного распределения Tn, [NO], [Ne] могут служить контрольными примерами для численных моделей.

Реализация и внедрение.

Хоздоговорные научно-исследовательские работы (НИР) по темам: «Каштан», «Клен-4», «Вектор»; по научным программам АН СССР и Минвуза РСФСР «Автоматизированные системы научных исследований и обучение» (пакет прикладных программ (ППП) АРМИЗ); Гособразования СССР «Математическое моделирование в научных и технических системах»; решениями ВПК и Минвуза РСФСР; постановлением ГКНТ ССР и Президиума АН и ОНТП «Атмосфера»; программой АН СССР «Радиоволны» по теме «Глобус КГУ-91-91»; программой «Университеты России» по математическому моделированию в научных и технических системах (проект ММ 7.12); гранту РФФИ РАН № 95-01-01123а (1995-1997 гг.) «Математическое моделирование ионосферно-магнитосферных процессов и взаимодействия космического аппарата с окружающей средой» (1995-1997 гг.); гранту РФФИ № 04-01-00830 (2004-2007); гранту РФФИ № 08-01-00431 (2008-2011).

Результаты работы внедрены (получены акты внедрения) в межведомственном геофизическом комитете (ППП АРМИЗ):

  • ИВЦ Институт прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова, г. Москва.
  • Головной совет по автоматизации научных исследований, г. Москва.
  • Институт прикладной математики (ИПМ) РАН, г. Москва.
  • Институт динамики геосфер РАН, г. Москва.

Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе в области математического моделирования тепломассопереноса.

Результаты исследований используются в учебном процессе Калининградском Государственном университете им. И. Канта (Балтийский федеральный университет им. И.Канта) математическим и физическом факультетах при чтении курсов «Численные методы газовой динамики» и «Численные методы решения уравнений математической физики» (и проведение лабораторных работ по курсу «Методы приближенных вычислений)».

Апробация работы

Результаты работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и семинарах:

  • международный математический семинар к 140-летию со дня рождения Давида Гильберта из Кенигсберга и 25-летию математического факультета (Калининград, 2002);
  • семинарах математического факультета БФУ им. И. Канта.
  • международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения великого немецкого математика Карла Густава Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда (Кёнигсберга) «Избранные вопросы современной математики» (Калининград, 2005);
  • 6-th International conference Problems of Geocosmos (Saint-Petersburg, 2006);
  • научный семинар ЗО ИЗМИР АН (Калининград, 2004, 2006, 2009);
  • международный семинар «Atmosphere, ionosphere, safety» (Зеленоградск, 2010);
  • ИЗМИРАН (Москва, 2010);
  • научный семинар Института математического моделирования РАН (Москва, 2004, 2010);
  • Physics of Auroral Phenomena 29, 34th Annual Seminar, Polar Geophysical Institute (Apatity, 2006, 2011);
  • научные семинары ИПМ им. Келдыша (Москва, 2010, 2011).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проблемы теоретических исследований верхней атмосферы и ионосферы. Приводится цель данной работы.

В главе 1 проведен обзор экспериментальных данных о нейтральном и ионном составе исследуемой области атмосферы и процессах, в ней протекающих. Представлены основные экспериментальные данные, полученные к настоящему моменту по атомарному и молекулярному кислороду, озону, электронно-возбужденному молекулярному кислороду, азотным компонентам, ионному составу и электронной концентрации, на основе современной литературы.

Рассмотрены основные динамические и фотохимические процессы, влияющие на высотно-временное распределение параметров среды в рассматриваемой области высот.

В главе 2 приведена математическая постановка задачи моделирования среднеширотной верхней атмосферы и ионосферы (в системе координат, связанной с местной вертикалью), которая основывается на решении двух групп взаимосвязных уравнений движения, непрерывности и теплового баланса для нейтрального и электронно-ионного газа в интервале высот 50-500 км. Такая постановка задачи позволяет исследовать взаимное влияние нетрально-ионно-электронного газа, а также мезосферно-термосферные связи и связи между D-E-F областями ионосферы и особенно межслоевые области. Основной интерес вызывает область перехода от мезосферы к термосфере (область турбопаузы), которая характеризуется «переходом» от турбулентности к молекулярной диффузии. В этой области существенную роль играет конвективный перенос. В связи с этим и возникает задача с малым параметром при старшей производной.

Система гидродинамических уравнений была разработана автором на основании ранее полученных моделей. Она состоит из восьми нелинейных связных дифференциальных уравнений, описывающих высотно-временное поведение параметров нейтрального, ион-электронного газа, которые могут быть решены лишь численными методами.

Высотно-временное распределение нейтрального и ионного состава описывается системой уравнений непрерывности вида:

  .

Для короткоживущих компонент и ионов расчет проводится без учета члена переноса:

.

Уравнение теплопроводности для электронного и нейтрального газа рассчитывается по уравнению:

.

В уравнении учитываются следующие физические процессы:

  1. нагревание за счет фотоионизации нейтральных компонент Qi;
  2. нагревание за счет фотодиссоциации O3 и O2 в континууме и полосах Шумана-Рунге QSR;
  3. нагревание за счет фотоэлектронов Qf;
  4. нагрев за счет рекомбинации кислородных составляющих QH;
  5. нагревание за счет диссоциативной рекомбинации (химическая энергия) Qr;
  6. нагревание за счет диссипации турбулентной энергии;
  7. охлаждение за счет инфракрасного излучения молекул СО2 на длине волны 15 мкм LCO2;
  8. охлаждение за счет излучения О на длине волны 63 мкм L0;
  9. охлаждение за счет излучения NО на длине волны 5.3 мкм LNO;

Уравнение теплопроводности для электронного и ионного (H+, O+) газа:

,

,

где PG – прибыль тепла за счёт энергии фотонов и фотоэлектронов, РT – член теплообмена с газом, находящимся при другой температуре, .

Составляющие макроскопические скорости нейтрального ветра рассчитывались по уравнению:

Граничные и начальные условия:

, ,

, ,

, , , ,

Выше отмеченные уравнения представляет собой нелинейную связную систему дифференциальных уравнений, которая может быть решена только численными методами.

В главе 3 рассматриваются различные варианты разностных схем, аппроксимирующих уравнение модели. Построен контрольный пример. Приведены результаты тестирования, разработанных разностных схем на этом примере. Построен алгоритм модели.

Как показал вычислительный эксперимент для построения абсолютно устойчивой консервативной разностной схемы необходимо преобразовать уравнение с конвективным членом, записанным в дивергентной форме, к виду:

где , , , .

Уравнение непрерывности для ионного состава записывается аналогичным образом:

где , , , .

Аналогичным образом преобразуется уравнение с конвективным членом, записанным в недивергетной форме, к виду:

,

где , , , .

Уравнение теплопроводности для ионного и электронного газа оставляем без изменений. Система уравнений макроскопического движения скорости нейтрального газа преобразуется по выше отмеченной схеме к виду:

где , , , ,        ,

,.

Тогда система уравнений, описывающая высотно-временное распределение нейтрального, ионного и электронного состава имеет вид:

 

Граничные и начальные условия:

, ,

, ,

, , , ,

В разностном виде уравнения данной системы можно представить по единой схеме. Неизвестные функции обозначаем за y.

,

где ,

,

,

.

Линеаризация разностных уравнений проводилась путем расчета коэффициентов и правых частей по значениям неизвестных функций с предыдущего временного слоя или предыдущей итерации. Линеаризованные итерационные разностные уравнения записывались в виде:

,

где S - номер итерации. За нулевое приближение брались значения с предыдущего временного слоя. Линейная относительно система разностных уравнений, дополненная при краевыми условиями, решалась методом прогонки

, , ,

или различными его модификациями, рассмотренными в работе. При решении уравнений методом итераций задается число итераций или точность их сходимости , когда требуют выполнение неравенства

.

В главе 4 приводятся результаты вычислительного эксперимента на основе построенной модели.

В модели рассчитывается фотодиссоциация следующих компонент N2, O2, О3, Н2О, Н2О2, NO, NO2, N2O, СО2 и ионизация О, О2, NO, N2, O2(1Δg).

Основными источниками ионизации в дневное время являются: La-излучение с длиной волны 121,5 нм; солнечные Х-лучи (0,1-0,8 нм); фотоионизация O2(1Δg) в интервале длин волн 102,7 < λ < 111,8 нм; солнечное излучение в диапазоне (3-102,7 нм); галактические космические лучи. В ночное время: HLa, HLp, Hel(50,4 нм), Hell (30,4 нм).

Алгоритм модели строился с учётом фотохимических и диффузионных-времён жизни компонент и их связанности в фотохимических процессах. Шаги интегрирования по высоте и времени выбирались в зависимости от характеристик этих процессов: шкалы высот и времён жизни компонент.

На основании результатов проведённого на данной модели вычислительного эксперимента установлено существование фотохимического равно версия N и NO в области высот 70-95 км и объяснено стационарное распределение окиси азота.

Получены новые аналитические выражения высотного поведения [NO] и Ne за висящее от высотного распределения основных компонент N2, O2, потока La -излучения, а также Тп с учётом современных представлений о зависимости температуры мезопаузы от уровня солнечной активности и года.

Получено, что введение дополнительной фотохимической реакции «горячих» атомов электронно-возбуждённого кислорода O(1D*) (с кинетической энергией большей 1,27 ЭВ), образующихся при фотодиссоциации О2 с длиной волны, не превосходящей 121,7 нм, приводит к лучшему согласию с экспериментальными данными.

Показано в области D неучёт NO приводит к уменьшению [Ne] примерно на порядок в области 80 км. Представлены результаты вычислительного эксперимента, подтверждающего необходимость учёта окиси азота в фотохимических процессах области Е и что малые азотные составляющие существенно влияют на пере распределение [О2+] и [NO+] в области 110-140 км и не влияют на электронную концентрацию.

Разработано новое возможное объяснение зимней аномалии области D. На основе реакции «горячих» O(1D) с N2, образующей N(4S) и NO, увеличения Тn, и последующего роста коэффициента реакции N(4S) с О2 (при сильной его температурной зависимости), приводящей к образованию NO.

Представлены результаты вычислительного эксперимента по её исследованию. Полученные результаты расчётов удовлетворительно согласуются с экспериментально измеренными значениями [О], [O2(1Δg)] и [NO] для условий ЗА. Максимум высотного распределения О находится в области 98-104 км и его величина равна 1,2 1012 см-3. Показано, что для условий ЗА скорость ионизации O2(1Δg) составляет около 50% от qN0 в области 90 км. Учёт qo,(1Δg) приводит к увеличению электронной концентрации на фактор 1,5 в области 85-95 км.

В заключении диссертации приведены следующие результаты, полученные в работе:

Метод математического моделирования, применяемый в данной работе, позволил путём вычислительных экспериментом ответить на ряд проблемных вопросов: уточнить механизм образования окиси азота и рассчитать его концентрацию на высотах 50-500 км, рассчитать и объяснить увеличение концентрации окиси азота и электронов в период зимней аномалии области D с учётом имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных.

Основные результаты диссертационной работы  заключаются в следующем.

1. Разработана одномерная, диффузионно-фотохимическая математическая модель, самосогласованно описывающая пространственно-временные вариации нейтральных, возбуждённых и заряженных  компонент в области 50-500 км. Модель учитывает молекулярную диффузию, турбулентное перемешивание, более ста химических реакций, что позволяет рассчитать пространственно-временное поведение следующих компонент: N2, O, O2, O3, O(1D), O(1S), O2(1Δg), O2(1+g), N2(), O2(), H, H2, OH, H2O, H2O2, N(4S), N(2D), NO, NO2, CO, CO2, H+, O+, O2+, NO+, O4+, N+, N2+, Ne, NO+(H2O)n (n = 1, 2, 3), H+(H2O)n (n = 1, 2, 3), Y+, СВ1+, СВ2+, O-, O2-, CO-, CO2-, NO-, NO2-, Y-, где Y+ - суммарная концентрация положительных ионов-связок, Y- - суммарная концентрация отрицательных ионов, N2(), O2() – колебательно возбужденные молекулярные азот и кислород, суммарная концентрация положительных ионов – связок отрицательных ионов, , .

В модели также рассчитываются следующие параметры: температуры нейтральных компонент Тn, ионных (О+, Н+)Тi, электронов Те, скорости и их потоки.

2. Для системы дифференциальных уравнений модели:

– построены разностные схемы, обладающие свойствами консервативности и численной устойчивости, способных воспроизводить задачу пограничного слоя, показано, что такие схемы можно построить лишь для преобразованных исходных дифференциальных уравнений, а для системы уравнений модели (непрерывности, движения и теплового баланса) построена однородная полностью консервативная разностная схема;

– работоспособность построенных схем и методов решения проверена на большом наборе тестовых задач;

- проведена алгоритмизация модели.

3. Разработан способ аппроксимации граничных условий со вторым порядком точности по координате. Численные расчеты показали, что использование этого способа при задании нулевого потока на границе повышает точность расчета концентрации O2 в области верхней границы.

- на примере расчета высотного распределения [O] и [NO] показана возможность эффективного использования краевых условий связного типа;

- работоспособность построенных схем проверена на большом числе тестовых задач различными вариантами метода прогонки (немонотонной обыкновенной, матричной, потоковой), а также путем сравнения результатов вычислительного эксперимента по расчету атомарного и молекулярного кислорода для реальных условий;

4. На основе построенной модели:

– проведен анализ скоростей ионизации в D и E областях ионосферы. В результате этого анализа показано, что относительная роль источников ионизации области D зависит как от времени суток, так и сезона: в зимнее время ионизации окиси азота излучением Lα является определяющей в процессах ионообразования; в летнее время в околополуденные часы ионизация колебательно- и электроновозбужденного молекулярного кислорода не менее важна, чем ионизация окиси азота; в утренние и вечерние часы возможна промежуточная ситуация. Проведенные расчеты скоростей ионизации также показали, что для летних и зимних условий в полуденные часы скорость ионизации O2(1Δg) может сравниться или даже превосходить скорость ионизации NO;

– проведены вычислительные эксперименты по выявлению основных источников нагрева и охлаждения мезосферы и нижней термосферы, показана инверсия температуры в области турбопаузы. Объяснена природа этой инверсии;

– проведены вычислительные эксперименты самосогласованного расчета температуры ионного и нейтрального состава, результаты которого показали удовлетворительное согласие с экспериментами;

– впервые детально разработан и количественно оценен вклад нового возможного механизма образования окиси азота и атомарного азота при взаимодействии «горячих» атомов O(1D) с N2 и показано, что этот механизм может являться основным источником окиси азота в мезосфере. Использование этой реакции впервые позволило согласовать результаты теоретических расчетов концентрации окиси азота с экспериментальными данными в этой области высот и объяснить стационарное поведение [NO] на высотах мезопаузы в течение суток;

– получены новые аналитические выражения высотного поведения Tn, [NO], [Ne] с учётом современных представлений о зависимости температуру мезопаузы от уровня солнечной активности и других параметров в области мезосферы;

– показано необходимость учёта окиси азота в фотохимических процессах области Е и что малые азотные составляющие существенно влияют на перераспределение [O2+] и [NO+] в области 110-140 км и мало влияют на электронную концентрацию.

5. В работе впервые детально исследован новый возможный механизм образования зимней аномалии области D и показано, что явление ЗА может быть объяснено на основе рассмотренного в работе мезосферного источника окиси азота. Полученные на этой основе результаты вычислительного эксперимента удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями [O], [O2(1g)], [NO] и [Ne] для условий зимней аномалии.

6. Рассмотрено влияние концентрации колебательно возбужденных O2(ν), N2(ν) компонент на параметры ионосферной плазмы. В частности:

- представлена новая (без учета больцмановского распределения по колебательным уровням) математическая модель расчета концентрации колебательно-возбужденного молекулярного азота по уровням [N2(ν)],;

- показано, что ионизация O2* излучением La, может явиться существенным источником заряженных частиц в области D ионосферы.

7. Детальный анализ и сравнение с экспериментальными данными показал, что модель позволяет удовлетворительно воспроизвести основные параметры среды.

8. Показана возможность практического использования построенной модели в целях распространения электромагнитных волн.

9. Алгоритм модели реализован в виде комплекса прикладных программ, написанных на языке программирования высокого уровня, и состоящий из нескольких независимых блоков, что позволяет расширять или сужать данную исследуемую область в зависимости от постановки задач (т.е. дает возможность проводить исследования независимо каждой области ионосферы, мезосферы и термосферы независимо друг от друга, а также объединять их в отдельные блоки), применять различные варианты аппроксимации и методы их решения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в 120 научных публикациях, под руководством диссертанта защищено 2 кандидатские диссертации с использованием материалов данной диссертации.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

  1. Власов М.Н., Медведев В.В. О механизме образования N и NO в нижней термосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1981, т. 21, № 5, с. 857-862.
  2. Власов М.Н., Медведев В.В. Ионный состав в нижней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1981, т. 21, № 5, с. 1034-1038.
  3. Власов М.Н., Медведев В.В. Анализ источников ионизации в области D на основе теоретической модели // Геомагнетизм и аэрономия, 1984, т. 24, № 2, с. 187-190.
  4. Власов М.Н., Медведев В.В. О возможном механизме формирования зимней аномалии области D // Радиофизика. Изд. высш. учеб. заведений, 1984, т. 27, № 4, с. 415-419.
  5. Власов М.Н., Ишанов С.А., Медведев В.В., Латышев К.С. Модель динамики ионосферной «дыры» с учетом процессов в силовой трубке // Космические исследования, 1990, т. 28, № 2, с. 248-254.
  6. Власов М.Н., Ишанов С.А., Медведев В.В. Моделирование эффектов антропогенных воздействий в сопряженных областях ионосферы и термосферы // Космические исследования, 1994, т. 32, № 1, с. 154-158.
  7. Медведев В.В., Зенкин В.А. Возможная роль NO и в образовании зимней аномалии области D ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 1998, т. 38, № 2, с. 156-160.
  8. Медведев В.В., Никитин М.Б. Аналитическая аппроксимация высотного распределения [NО] в мезосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1999, т. 39, № 5, с. 124-127.
  9. Медведев В.В., Никитин М.Б. Возможные источники окиси азота в мезосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия, 2001, т. 41, № 1, с. 132-136.
  10. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Самосогласованная модель нижней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 2002, т.42, № 6, с. 780-789.
  11. Медведев В.В., Латышев К.С., Никитин М.Б. К вопросу об аналитической аппроксимации высотного распределения окиси азота в мезосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия, 2002, т. 42, № 5, с. 646-648.
  12. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Влияние колебательно возбуждённого азота на рекомбинацию в ионосферной плазме // Геомагнетизм и аэрономия, 2003, т. 43, № 2, с. 248-255.
  13. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Моделирование электронных и ионных температур при антропогенных воздействиях на ионосферу // Космические исследования, 2004, т. 42, № 3, с. 313-314.
  14. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Роль горизонтальных составляющих скорости нейтрального ветра при антропогенных воздействиях на ионосферу Земли // Космические исследования, 2005, т. 43, № 1, с. 1-6.
  15. Ишанов С.А., Медведев В.В., Захаров Л.П., Залесская В.А., Жаркова Ю.С. Эффекты возмущения нейтральных ветров // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, КГУ, 2005, № 1-2, с. 54-59.
  16. Ишанов С.А., Медведев В.В., Залесская В.А. Колебательно и электронно-возбуждённый состав верхней атмосферы и ионосферы Земли // Математическое моделирование. 2006, т.18, № 5, с. 21-26.
  17. Жаркова Ю.С., Медведев В.В., Ишанов С.А., Токарь В.Г. Использование математических моделей ионосферы для изучения распространения КВ-радиотрасс (радиосигналов) // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, 2006, № 10, с. 49-54.
  18. Медведев В.В., Ишанов С.А., Новикова Е.И., Жаркова Ю.С. Влияние магнитосферно-ионосферных потоков плазмы на F-область ионосферы // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, 2007, № 10, с. 15-19.
  19. Захаров Л.П., Ишанов С.А., Медведев В.В. Ионосферно-магнитосферные потоки. // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, 2008, № 10, с. 33-37.
  20. Ишанов С.А., Медведев В.В., Залесская В.А., Жаркова Ю.С. Математическое моделирование ионосферных процессов в целях распространения радиоволн // Математическое моделирование, 2008, т. 20, № 4, с. 3-7.
  21. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zenkin V.I. Modeling the Electron and Ion Temperatures under Anthropogenic Influences on the Ionosphere. // Cosmic Reas., 2004, v. 42, N 3, p. 300-302.
  22. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zenkin V.I. The role of horizontal components of the neutral wind velocity in anthropogenic impact on the Earth’s ionosphere. // Cosmic Reas., 2005, v. 43, N 3, p. 73-77.

Публикации по теме диссертации в других научных изданиях:

  1. Латышев К.С., Медведев В.В. Варианты метода прогонки численного решения уравнений диффузии ионов в задачах моделирования ионосферы // В кн. диагностика и моделирование ионосферных возмущений. М.: Наука, 1978, с. 108-114.
  2. Латышев К.С., Бобарыкин Н.Д., Медведев В.В. Разностные методы решения системы одномерных газодинамических уравнений в задачах моделирования ионосферы // Ионосферные исследования, 1979. № 28, c. 37-48.
  3. Латышев К.С., Медведев В.В. Численный расчет высотного распределения атомарного кислорода в мезосфере и нижней термосфере // Сб. Электродинамика и распространение радиоволн. Томск. 1982. В.2, c. 51-57.
  4. Медведев В.В., Латышев К.С. Разработать и создать пакет прикладных программ для исследования нестационарных процессов околоземной космической плазмы // Отчет о научно-исследовательской работе по теме № 215. Индекс УДК 550.388 № Гос. регистрации 81088477. Инв. № 0283.0027575. Калининград. 1982, с. 1-50.
  5. Ишанов С.А., Медведев В.В., Латышев К.С. Численное моделирование ионосферно-термосферных процессов // Математическое моделирование в естествознании и технологии. Всесоюзная школа-семинар. Калининград. КГУ. 1988, с. 48.
  6. Латышев К.С., Медведев В.В., Белякова О.В. О свойствах некоторых разностных схем в задачах моделирования ионосферы // Труды ААНИИ.412. Геофизические исследования в высоких широтах. Ленинград. 1988, с. 40-63.
  7. Медведев В.В., Зинин Л.В., Коняхина Л.В., Соколова Г.С., Юшкевич О.Г. Пакет прикладных программ «Армиз» «Функциональное наполнение» // Программное обеспечение геофизических исследований. Межведомственный геофизический комитет АН СССР. Вып. 8. 1989, с. 8-10.
  8. Медведев В.В., Зинин Л.В., Коняхина Л.В., Соколова Г.С. Пакет прикладных программ «Армиз» «Функциональное наполнение» // Материалы мирового центра данных Б. Программное обеспечение геофизических исследований. М.: МГК АП СССР. 1989. Вып. 8, с. 11-20.
  9. Медведев В.В., Латышев К.С., Коняхина Л.В. Описание модели DEF // Программное обеспечение геофизических исследований // Материалы мирового центра данных, Б. М.1989. Вып.8, c. 20-41.
  10. Медведев В.В., Коняхина Л.В., Латышев К.С., Зинин Л.В., Соколова Г.С., Юшкевич О.Г. Программное обеспечение геофизических исследований // Материалы мирового центра данных. Б., 1994, с. 1-8.
  11. Власов М.Н., Ишанов С.А., Медведев В.В. Моделирование эффектов антропогенных воздействий в сопряженных областях ионосферы и термосферы // Космические исследования, 1994, т. 32, № 1, с. 154-158.
  12. Медведев В.В., Латышев К.С. Математическое моделирование азотных компонент и ионного состава верхней атмосферы Земли // Модели в природопользовании. Межвузовский сб. научн. тр. Калининград, 1997, с. 54-57.
  13. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Моделирование электронных и ионных температур при антропогенных воздействиях на ионосферу // Проблемы математических и физических наук. КГУ, 2002, с. 3-6.
  14. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Математическое моделирование антропогенных воздействий на ионосферу Земли // Доклады международного математического семинара, посвященного 140-летию Д. Гильберта и 25-летию математического факультета КГУ, КГУ, 2002, с. 307-310.
  15. Медведев В.В., Ишанов С.А., Латышев К.С., Зенкин В.И. Моделирование метастабильных компонентов в термосфере // Доклады международного математического семинара, посвященного 140-летию Д. Гильберта и 25-летию математического факультета КГУ, КГУ, 2002, с. 311-315.
  16. Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Влияние колебательно возбуждённого азота на рекомбинацию в ионосферной плазме // Геомагнетизм и аэрономия, 2003, т. 43, № 2, с. 248-255.
  17. Medvedev V.V. Analitical Model of the Ionosphere D-Region // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations, Mosсow, 2003, p. 110.
  18. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zinin L.V. Mathematical Modeling of H2O Molecules Injection into the F2-Region Earth’s Ionosphere // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations, Moscow, 2003, p. 111.
  19. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Latishev K.S. Metastable Components in the Ionosphere // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations, Moscow, 2003, p.111.
  20. Медведев В.В. Компьютерное моделирование D-области ионосферы // Вестник КГУ. Вып. 3. Информатика и телекоммуникации. Из-во КГУ, 2003, с. 68-71.
  21. Медведев В.В., Зенкин В.И. Модель возбуждённых компонентов термосферы // Мат. моделирование и численные методы решения интегродифференцируемых уравнений. Сб. науч. трудов. КГТУ, 2003, с. 66-68.
  22. Медведев В.В., Зенкин В.И. Математическое моделирование ионосферных возмущений // Мат. моделирование и численные методы решения интегродифференцируемых уравнений. Сб. науч.трудов, КГТУ, 2003, с. 69-71.
  23. Медведев В.В., Зенкин В.И. Численные методы решения уравнения диффузий // Мат. моделирование и численные методы решения интегродифференцируемых уравнений. Сб. науч. Трудов, КГТУ, 2003, с. 72-78.
  24. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zinin L.V. Mathematical Modeling of H2O Molecules Injection into the F2-Region Earth’s Ionosphere // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations Cawses Handbook-I Boulder, 2004, p. 450-457.
  25. Medvedev V.V., Novikova E.P. The Model of [NO] and T in the Earth’s Methosphere // Kaliningrad State University, 2004, р. 50.
  26. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Novikova E.P. Mathematical Modeling of Metastable Components in the Upper Atmosphere // Kaliningrad State University, 2004, р. 50.
  27. V.Medvedev, E. Novikova. Analytical model of [NO], Ne and Tn in the D-region of the Ionosphere. // Physics of Auroral Phenomens, Proc. XXVII Annular Seminar, Apatity. 2004, p. 109-111.
  28. Medvedev V.V. Mathematical modeling for the processes mesosphere, thermosphere and ionosphere // Избранные вопросы современной математики. Калининград, КГУ, 2005, с.175.
  29. Medvedev V.V. Numerical model of Earth upper atmosphere // Избранные вопросы современной математики». Калининград, КГУ, 2005, с. 176.
  30. Медведев В.В., Ишанов С.А. Математическое моделирование метастабильных компонентов в ионосфере Земли // Инженерно-физический журнал, 2005, т. 78. № 6, с. 26-33.
  31. Медведев В.В., Ишанов С.А., Леванов Е.И. Вычислительный эксперимент расчёта параметров ионосферной плазмы при астрономическом воздействии. Сеточные методы для краевых задач и приложения // Материалы Всероссийского семинара. Казань, 2005, с. 122-125.
  32. Медведев В.В. Об одной консервативной разностной схеме. // Материалы Всероссийского семинара. Казань, 2005, с. 173-174.
  33. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zalesskaya V.A. Problems of Geocosmos // Proceedings of the 6th International Conference, St. Petersburg, 2006, р. 66-69.
  34. Medvedev V.V., Zharkova Y.S.  Dynamical and photochemical heating and cooling algorithm used in a dynamical model of the upper atmosphere Earth // 6th International conference Problems of Geocosmos St-Petersburg. 2006, p. 244-245.
  35. Ишанов С.А., Леванов Е.И., Медведев В.В., Залесcкая В.А. Магнитосферно-ионосферные изменения, вызванные полетами космических аппаратов // Инженерно-физический журнал. Минск Беларусь. 2006 г., т. 79, № 4, с. 11-15.
  36. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zalesskaya V.A. The magnetospheric-ionospheric disturbances caused of the rocket injection // 6th International conference Problems of Geocosmos Saint-Petersburg, 2006, p. 70-72.
  37. Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zalesskaya V.A. Mathematical modeling of the ionosphere-magnetosphere processes // Computational methods in applied mathematics. Minsk, Belarus, 2007, p. 25-30.
  38. Ишанов С.А., Леванов Е.И., Медведев В.В., Залесская В.А., Новикова К.И. Использование математических моделей ионосферы для изучения распространения электромагнитных волн // Инженерно-физический журнал, 2008, т. 81, № 6, с. 1198-1202.
  39. Ishanov S.A., Levanov E.I., Medvedev V.V., Zalesskaya V.A. and Novikova K.I. Use of mathematical models of the electromagnetic waves // Journal of Engineering Physics and Termophysics. 2008, V. 81, N 6, p.1242-1246.
  40. Медведев В.В., Новикова К.И., Пялов Д.И. Математическое моделирование физико-химических процессов мезо-термосферы и ионосферы. Современные проблемы вычислительной математики и математической физики: Международная конференция, Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова: Тезисы докладов. – М.: Издательский отдел факультета ВКМ МГУ им. М.В. Ломоносова; Макс-Пресс, 2009, с. 396.
  41. Medvedev V.V., Pyalov D.I., Zamyatina O.V. Mathematical Model for the Processes Ionosphere and Upper Atmosphere. AIS-2010: Atmosphere, ionosphere, safety: book of Abstracts; Supported by Russian Foundation of Basic Research. Kaliningrad, 2010, р. 225-226.
  42. Medvedev V.V., Zamyatina O.V. Mathematical modeling for the processes mesosphere, thermosphere and ionosphere // Physics of Auroral Phenomena 34th Annual Seminar Polar Geophysical Institute. Apatity, 2011, р. 49.


Медведев Владимир Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
МЕЗОСФЕРЫ, ТЕРМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.