автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование динамики ионосферно-плазмосферного обмена в естественных условиях и условиях антропогенного воздействия

Р Г 6 од 1 5 ДЕК 1996

На правах рукописи

Ишаков Сергей Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИОНОСФЕРНО-ПЛАЗМОСФЕРНОГО ОБМЕНА $ ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ И УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 06.13.18 - Теоретические основы математического моделировали*, численные методы я комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание учен ой степени кандидата фхзихо - математических наук

МОСКВА 1996

Работа выполнена в Калининградском государственном университете Министерства общего и профессионального образования РФ.

Научный руководитель: доктор физию-математических наук,

профессор М.И. Власов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник М.Г. Демлноа

кандидат физико-математических наук, доцент Б. Я. Косарев

Ведущая организация: Геофизический центр РАН

Защита состоится " _" _ 1996г. в_часов на заседании диссертац

онного совета К 003.91.01 при Институте математического моделирования РАН i адресу: Москва, Миусская пл., 4-А

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института математичесхо: моделирования РАН

Автореферат разослан *_"_1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К 003.91.01 при ИММ РАН

кандидат физико-математических наук

/ С.Р. Cevfцевс/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Агтуалъность темы. С развитием космической техники, дальнейшей интенсификацией активных экспериментов, антропогенное воздействие на околоземную плазму приобретает все большие пространственно • временные масштабы. Запуски космических ракет, полеты кораблей многоразового использования, работа отдельных видов космических систем сопровождается значительными возмущениями плотности и температуры ионосферной и мапготосферной плазмы.

Актуальной является проблема загрязнения верхних слоев атмосферы от выбросов химических веществ космическими аппаратами. На ионосферных высотах при выбросах таких химически активных газов, как ВгО,М},СОз, могут создаваться области пониженной электронной концентрации (так называемые "ионосферные дыры") и возрастать интенсивность свечения ионосферы. Одним из последствий образования зон пониженной электронной концентрации является нарушение естественного канала распространения КВ-радиоволн, состояние которого во многом определяет качество функционирования широкого класса радиоэлектронных систем.

Исследования техногенных модификаций околоземной плазмы ведутся в настоящее время по двум основным направлениям. К первому направлению относится получение экспериментальной информации с целью выявления и всестороннего изучения определенных закономерностей в структуре и свойствах искусственно возмущенной ионосферы и нейтральной атмосферы. Примером исследований такого рода являются эксперименты по инжехцин химически активных газов в области Б с широкой вариацией типов источников, времени и места выпуска, что приводит к контролируемым возмущениям ионосферной плазмы. Второе направление включает анализ важнейших физико-химических механизмов, ответственных за пространственно - временные распределения и вариации ионосферных параметров, и разработку теоретических моделей, отвечающих данным измерений и позволяющих прогнозировать поведение среды в зависимости от антропогенных факторов.

Математическое моделирование околоземного космического пространства (ионо-сфера,плазмосфера,магнитосфера) обладает своей спецификой, поскольку во многом определяется энергетикой и концентрацией присутствующих в нём электронов и

ионов. Ионосферная плазма считается низкотемпературной с максвелловским рас лределением электронов и ионов со средней энергией

¿7- с* кТе а 0,03 + 0,4эВ

я концентрацией п£1,- с; 10* 4- 10®см~8. В областях замкнутых силовых линий геомаг нитного поля существенную роль в динамике ионосферной плазмы играет плазма сфера (АЗ; ~ кТ, с: 0,5 + 1эВ, л,,,- ~ 10*см-'), с которой ионосфера обмениваете; потоками частиц и энергии.

Теоретическое исследование системы ионосферл-плазмосфера сильно затруднен' следующими обстоятельствами:

а) распределение плазмы существенно неоднородно (в обычном пространстве х : пространстве скоростей), вследствие чего в ионосфере плазма является столкнови тельной, в нижней части плазмосферы (Ь=2-3) — слабостолкновительной, в остально] части плазмосферы, а также во внешних областях магнитосферы плазма являете: бесстолкновительной;

б) нелинейностью описываемых процессов;

в) сложностью химического состава среды и его изменчивостью по высоте;

г) большими пространственно - временными масштабами рассматриваемых явле ний.

Несмотря на указанные сложности рассматриваемых задач, развитие методов вы числительной математики, повышение их эффективности, применение мощных бы стродействуклцнх ЭВМ позволило приступить к разработке математических моделей адекватных реальным физико-химическими процессам.

Цель работы:

1. Построение физико-математической модели ионосферы и плазмосферы, урав нения которой интегрируются вдоль силовых линий геомагнитного поля, как инстру мента для проведения вычислительных экспериментов в исследованиях антропоген яых воздействий на околоземную плазму.

2. Сравнительный анализ различных гидродинамических приближений для опм сания ионосферио - магнитосферной плазмы.

3. Теоретическое исследование аффектов антропогенных воздействий на ионосферу на основе построенной модели.

4. Численное исследование переноса плазмы и энергии вдоль силовых линий геомагнитного поля в естественных условиях и в условиях антропогенного воздействия.

5. Нахождение оптимальных в смысле экономичности и точности численных методов для решения уравнений квази гидродинамики, описывающих состояние иоио-сферно - плазмосфериой плазмы.

Метод исследования основан на численном решении системы одномерных нестационарных уравнений модели с начальными и краевыми условиями с последующим сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными.

Научная новизна работы. Проведен анализ основных, подходов (диффузионный, гидродинамический) к описанию ионосферно - плазмосферной плазмы на основе разработанной нестационарной,согласованной,многокомпонентной модели, рассчитываемой вдоль геомагнитных силовых линий. Установлено, что в целом гидродинамическое описание дает более высокое содержание заряженных частиц и в ионосфере и в плазмосфере. Показало, что в области главного ионосферного максимума и во внешней ионосфере двухионное приближение не может полностью воспроизвести все основные особенности, соответствующие более полному по сравнению с ним гидродинамическому описанию.

Впервые, в результате численного моделирования,было показано, что эффекты воздействия на ионосферу антропогенных выбросов водорода и его соединений могут проявляться иа временах порядка суток, если учитывать процессы перераспределения плазмы вдоль всей силовой трубки и динамику нейтрального водорода. Проанализированы пространственно - временные распределения концентраций и скоростей заряженных частиц в естественных геофизических условиях и при техногенных возмущениях ионосферы.

Показано, что характерные особенности ионосферно - плазносферного обмена при разнесенных по времени и пространству антропогенных воздействиях проявляются в заметных изменениях ионных потоков из сопряженных областей и долговременных изменениях электронных концентраций в области главного ионосферного

м&хсииума.

Проведено численное исследование влияния антропогенного динамического во» мущеиия плазыосферы на поведение замкнутой системы ионосфера - плазмосфера Установлены характерные времена релаксации электронной концентрации, плазменной температуры, скоростей ионов к фоновым значениям. Динамические эффекта возмущения на начальной стадии приводят как к понижению концентрации электро нов, тех и к охлаждению плазмы(адиабатическое возмущение) на высотах плазмо сферы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается физически обоснованно? постановкой задачи, правомерностью принятых допущений при разработке магеыа тичесхой модели, оценками применимости используемых методов численного инте грнрования системы уравнений модели и степени адекватности результатов численных экспериментов на основе сравнения с экспериментальными данными и с результатами, полученными другими авторами.

Научная и практическая значимость работы. В теоретическом аспекте построенная согласованная модель ионосферко - ллазмосферных взаимодействий позволяв! проводить более адекватное математическое описание среды, учитывать внешние возмущение естественного и антропогенного характера, что важно для развития представлений о физике околоземной плазмы. С помощью разработанной модели можнс определить предельно-допустимые нагрузки на среду при техногенных воздействиях. В работе исследованы фундаментальные вопросы динамики переноса плазмы и энергии в плазмосфере и ионосфере Земли в различных геофизических условиях. Созданная математическая модель может служить основой задания среды для задач распространения радиоволн, а также базой для проведения вычислительны] экспериментов.

Настоящая модель может быть использована также для целей оптимального плат нирования дорогостоящих экспериментальных исследований и для совершенствования прогноза состояния ионосферы.

На защиту выносятся:

1.Нестациоиарная гидродинамическая модель геомагнитной силовой трубки, учив

тыкающая до восьми сортов положительных ноиоа (Я+, 0+.0+ NO+, N}, Нг0+, Я80+,0Я+), метасгабильные {0(lD),N(2D)) и малые компоненты, позволяющая корректно описывать коносферно - ллазмосфериую плазму от нижней границы F-области до нескольких радиусов Земли в различных геофизических ситуациях.

2.Результаты сравнительного анализа различных гидродинамических приближений для описания ионосферно - магнитосферной плазмы

3.Результаты численного моделирования процессов в геомагнитной силовой трубке в естественных условиях и при антропогенных воздействиях в ионосфере и плазмо-сфере.

4. Алгоритмы численного решения системы уравнений ионосферно-магнитосфер-ной динамики в системе координат, связанной с геомагнитной силовой линией и пакет прикладных программ задачи моделирования.

Реализация результатов. Основные результаты исследований использованы при выполнении НИР по научным программам АН СССР и Минвуза РСФСР "Автоматизированные системы научных исследований я обучения" (1981-1985гг.), Гособраэо-вания СССР "Математическое моделирование в научных и технических системах9 (1989-1991гг.), по решениям ВПК и Минвуза РСФСР, по программе АН СССР "Par диоволны" по теме "Глобус КГУ 91-92", по программе "Университеты России", НТП "Математическое моделирование в научных и технических системах", проект ММ 7.12, (1992-1996гт.), гранту РФФИ N95-01-0112Ja (1995-1997rr.).

Разработанная модель с учетом процессов в силовой трубке в различных модификациях и результаты вычислительных экспериментов внедрены я используются в Институте динамики геосфер РАН(г.Мосхва), Институте прикладной геофизики им. академика Федорова Е.К.(г. Москва) и в Институте математического моделирования РАН(г.Москва).

Отдельные результаты включены в спецкурсы по математическому моделированию и физике плазмы.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной школе - семинаре молодых ученых и специалистов "Математическое моделирование в естествознании и технологии" (г.Светлогорсх,1989), на 10-м Международном семи-

наре по математическому моделированию ионосферы(г.Казаиь,1990),на 18-Й • 26-й ежегодных научных конференциях профессорсхо - преподавательского состава Калининградского государственного университета, семинарах Института прикладной геофизики имеии академика Федорова Б.К., Института математического моделирования РАН, Института динамики геосфер РАЕ.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения.

Во введении формулируется точка зрения автора на актуальные проблемы исследования ионосферы ж плвзмосферы, указывается на необходимость изучения атю геофизических объектов как единой среды—околоземной плазмы - и обращается особое внимание на роль антропогенных воздействий в процессах, формулирующих эт} среду. Здесь также сформулированы цели работы, её научная новизна и практике екая ценность, коротко изложены содержание и структура диссертационной работы Перечислены основные защищаемые положения, приведены сведения об алробацш работы и публикациях по теме диссертации.

В первой главе приведен краткий обзор результатов экспериментальных и теоре тических исследований ионосферно-магнитосферной плазмы в естественных уела виях и в условиях техногенных воздействий( 1.1). В 1.1 также описана систем; уравнений квазнгидродин&мнкк, являющейся основой построенной модели. Систе ма уравнений включает записанные в проекции на силовую линию магнитного пол: нестационарные уравнения непрерывности, движения и теплового баланса заряжен ных частиц

»щ , 1 д(АпцО , .

Ж* А—+ = ^ • (1

\д1ч 01»Л % -А

п*т' П?Г в» 7>Г = ~П{ТП'9 вт + щ ч~

1 у=1

+ я,-Д((«пв сов/ - V;) - ~

3, (OTi dTi\ , Pi d(Áv¡) 1 в ( втл _ р ,

3,„/«Г. ДТЛ , реа(Лие) i ® /.. «тл ».р. р

а**е"5Г/ "А-5Г-"35 lAAe 1ГГ р'+Ре'~Рея• (4>

Здесь индекс и относится к нейтральным частицам, индекс е — х электронам; п;, m;, v;,T¡ — концентрация, масса, скорость, температура ионов i-го сорта ие — скорость электронов; 8 - координата вдоль геомагнитной силовой линии, положительная в направлении от северного полюса ж южному; А — расходимость силовых линий магнитного поля; I - магнитное наклонение, g - ускорение силы тяжести; Une -меридиональная компонента скорости нейтрального ветра; Q¡, a¡ — скорость образования и вероятность потерь i-го иона; Nc — электронная концентрация; Pi — давление ионного газа, состоящего из частиц i-ro сорта; ре - давление электронного газа; Tt — электронная температура; Ae,A¡ - соответственно коэффициенты теплопроводности электронного и ионного газов; к - постоянная Волыдаана; JZ,- — коэффициент силы трения между ионами i-ro сорта и нейтральными частицами; S¡¡ — коэффициенты силы трения между ионами i-ro сорта и j-ro сорта; P¡ - скорость нагрева тепловых электронов сверхтепловыми фотоэлектронами; Р» - скорость теплообмена электронов с ионами; Ри - скорость теплообмена i-ro иона с электронами; P¡¡ - скорость теплообмена i-ro иона с коя ами j-ro сорта; Рт — скорость охлаждения электронов на нейтральных частицах; P¡n - скорость теплообмена i-ro иона с нейтралами. Уравнения (1-4) дополняются уравнениями фотохимического равновесия "тяжелых" ионов 0£,N0+ hN£ , уравнениями непрерывности для HjO, Н, 0(lD), уравнения-

ми движения нейтрального газа, эмпирической моделью нейтральной атмосферы и кинетическим уравнением для сверхтепловых электронов.

В 1.2 приведены сведения о дипольной системе координат, связанной с геомагнитной силовой линией,изложен алгоритм пространственной дискретизации расчетной области.

В 1.3 описаны алгоритмы вычисления функций ионизации, градиентов давлени] нейтральной компоненты, сил трения между различными заряженными составляю щи ми и нейтральными компонентами. Представлена, используемая в модели, схем) фотохимических реакций. Приведены формулы для коэффициентов теплопроводно сти и скоростей нагрева и охлаждения электронов и ионов. Рассмотрен алгорит» вычисления скорости нагрева тепловых электронов сверхтепловыми фотоэлектрона ми, основанный на решении кинетических уравнений для СТ-электронов.

Во второй главе диссертация рассмотрены численные алгоритмы решения уравне иий непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заражении: компонент в системе ионосфера-плазмосфера. С математической точки зрения эта уравнения являются уравнениями параболического или гиперболического типа, до полненные необходимыми начальными и граничными условиями.

Специфические особенности модельных уравнений такие как нелинейность, мно госвязиость, сильные изменения коэффициентов уравнений по пространственной ко ординате, большие пространственно - временные характерные масштабы, наличи* сложных фотохимических процессов и рад других не позволяют непосредствен™ применить хорошо известные в практике численные алгоритмы.

В связи с этим во второй главе предложены способы модификации ряда численны: алгоритмов, проведен поиск наиболее оптимальных из них, а также анализ точное т: и устойчивости.

Для решения уравнений диффузии заряженных компонент разработан алгорип встречной по полушариям потоковой прогонки, что позволило учесть сильные изме нения коэффициентов диффузии и конвективного переноса вдоль силовой линии.

При решении уравнений диффузии для нейтральных примесных компонент пред ложеиа оригинальная замена переменной, позволяющая получить достаточные услс вия устойчивости метода прогонки при наличии в уравнениях первой производив] дивергентного вида.

Для решения системы уравнений непрерывности и движения гиперболического ти па разработана неявная схема INR с монотонизахорами и адаптирована кинетическая схема KIN, показывающая свою эффективность в решении геофизических задач.

Все системы разностных уравнений сведены к системам с ленточными матрацами и решались методом скалярной или векторной прогонки. Рассмотрены также способы организации итерационных процессов по нелинейности и связанности уравнений и систем уравнений. Проведены исследования чуствктельностн решений на сгущение разностной сеткя по пространственной и временной координате.

В третьей главе на основе численного моделирования проведено сопоставление диффузионного приближения я полного гидродинамического описания. Показано, что, в целом, двухионное диффузионное приближение приводит к заниженной концентрации заряженных частиц вдоль всей силовой трубки, начиная с главного ионосферного максимума. Различия между гидродинамическим описанием и диффузионным приближением в моделировании плазмосферы еще более заметны м проявляются как в концентрациях иолов, так я в иг скоростях.

В четвертой главе приведены основные результаты вычислительных экспериментов по исследованию влияния техногенных возмущений на ионосферную плазму.

Рассмотрена эволюция "ионосферной дыры", образуемой при антропогенном поступлении воды, выявлена роль ноиосферно-плвзмосферяого обмена в этих ситуациях, установлено наличие вторичной "ионосферной дыры" в заходный период при учете образующегося нейтрального водорода, приведены временные оценки переходного периода и количественные характеристики основных параметров среды.

В этой же главе показано, что динамика ионосферно-плазмосферного взаимодействия при техногенных возмущениях сопряженных ионосфер проявляется в заметном увеличении плазменной температуры, существенных изменениях ионных потоков из иагнятосопряженных областей и структуры F области.

В четвертой главе также приведены результаты математического моделирования поведения системы ионосфера - плазмосфера при условии возмущения плотности и температуры плазмы в силовой трубке. Показано, что возмущение плазмы распро-:траняется вдоль геомагнитной силовой линии от места локализации как в сопряженное полушарие, так и вниз на ионосферные высоты. Приведены характерные »решена переноса плазмы между сопряженными полушариями, показано, что ди-1амичесхие эффекты приводят как к понижению концентрации электронов, так и

к охлаждению плазмы(адиабатическое расширение). Результаты вычислительны: экспериментов показывают, что локализованное плазмосферное возмущение описан кого типа и дальнейшее перераспределение заряженных частиц в силовой трубк вызывают в конечном итоге весьма заметные изменения NmF2, которые проявля ются прежде всего в неосвященной ионосфере, то есть в ночное время и в зимни: период.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы:

1. Построена согласованная физико - математическая модель ионосферы и плы мосферы , уравнения которой интегрируются вдоль магнитных силовых линяй, п которым происходит взаимодействие ионосферы и ллазмосферы.

Вычислительные эксперименты, детальный анализ и сравнение с эхсперименталь ньши данными показывает, что модель позволяет воспроизвести основные известны особенности поведения среды.

2. На основе численного решения системы уравнений непрерывности, двкжени и анергии ионов и элехтронов вдоль силовой трубки геомагнитного пол выполнено детальное сопоставление диффузионного приближения и полного гидре динамического описания.

Получены пространственно - временные критерии применимости различных га дроджнамяческих приближений для описания околоземной плазмы.

3. На основе математической модели распределения ионосферной плазмы вдол геомагнитной силовой линии рассмотрена эволюция " ионосферной дыры" образу« мой при антропогенном поступлении плазмогасящих соединений типа воды, молехэ лярного водорода, углекислого газа.

Рассмотрена роль ноносферно - плазмосфериого обмена при активных воздейств! ях на область повышенной электронной концентрации, установлено наличие вторя* ной " ионосферной дыры" в заходиый период при учете образующего атомарног водорода. Получены оценки переходного процесса.

Показано, что динаикка ноносферно - плазмосфериого взаимодействия в случа разнесенных до времени антропогенных воздействий в сопряженных полушариях с) щественно отличается от динамики локальных возмущений.

4. На основе физию - математического моделирования рассмотрено распространение техногенных возмущений плотности и температуры в ионосфере и плазмосфере. Результаты расчетов позволяют сделать следующие выводы:

а) Возмущение плазмы распространяется вдоль геомагнитной силовой линии от места локализации как в сопряженное полушарие, так и вниз на ионосферные высоты.

б) Амплитуды изменения параметров плазмы зависят как от мощности воздействия, так и от расстояния до центра возмущения.

в) Динамические эффекты приводят как х понижению концентрацию алектроноа, так к к охлаждению плазмы (адиабатическое расширение).

г) При релаксации распределения ионов к равновесному большое значение имеют компенсирующие потоки плазмы из сопряженных областей.

д) Динамическое антропогенное возмущение приводит к "консервации" водородных ионов в плазмосфере.

Б. Разработай численный алгоритм решения уравнений диффузии инжектируемых нейтральных составляющих, включающих первую производную по пространственной координате дивергентного вида, наличие которой нарушает монотонность обычно используемых разностных схем. Разработан потоковый вариант встречных по полушариям прогонок иа основе разностных схем второго порядка апроксим&ции для решения уравнений диффузии заряженных составляющих.

Проведены анализ и адаптация к системе модельных уравнений непрерывности и движения гиперболического типа неявного метода INR с монотонизаторами и кинетического метода КШ, показана эффективность последнего метода применительно к решаемой системе уравнений.

в. Математическая модель ионосферы я плазиосферы реализована в виде открытого гибкого программного комплекса, состоящего из отдельных функциональных 5локов, что позволяет осуществлять её настройку в зависимости от специфики решаемых задач и возможностей вычислительной техники.

Основные результаты диссертация опубликованы в следующих работах:

1.Ишаноа O.A.,Латышее K.G.,Медведев В.В. Моделирование возмущений F2-

области ионосферы при антропогенных воздействиях // Модели в природопользс ванин: Межвузовский сб.науч.тр. Калининград, 1989. 136 с.

2. Яшамов С.А.¡Латышев К.С.,Медведев В.В. Численное моделирование ионе сферно - термосферкых процессов // Тезисы докладов Всесоюзной школы - семинар молодых ученых и специалистов. Калининград, 1988. С.48.

3. Власов М.Н.,Ишанов С. А.,Латы шее К.С.,Медведев В.В. Оценки возмущений геомагнитной силовой трубке при наличии избытка воды в верхней атмосфере

// Десятый семинар по моделированию ионосферы: Тез. дохл. М.: МГК АН ССС1 1990. С.24.

4. Власов М.Е.,Ишанов С.А.,Медведев В.В.,Латышев К.С. Модель динамик ионосферной "дыры" с учетом процессов в силовой трубке // Космические жеслед< вания. 1990. 28. N2. С.24&-254.

Б. Власов M.S.,Григорьев С.А.,Ишанов С.А.,Латышев К.С. О диффузионно и гидродинамическом приближениях в описании ионосферной плазмы // Десять семинар по моделированию ионосферы: Тез. докл. М.:МГК АН СССР, 1990. С.24.

6. Ишанов С.А.,Латышев К.С.,Медведев В.В. Математическое моделирован! процессов в ионосфере Земли при учете возбужденных и малых нейтральных сост вляющих для возмущенных условий // Модели в природопользовании: Межвузо ский сб.науч.тр. Калининград, 1991. 120 с.

7. Власов М.Е., Григорьев С.А., Ишанов С.А., Латышев К.С. Сравнительнь анализ различных гидродинамических приближений для описания ноносферно - ма ннтосферной плазмы //Космические исследования. 1991. 29. N5. C.404-41S.

8. Власов М.Е.,Ишанов С.А.,Медведев В.В. Моделирование аффектов антропоге ных воздействий в сопряженных областях ионосферы и плазмосферы // Космичесх] исследования. 1994. 32. N1. С.154-158.

9. Власов М.Е.,Ишапов С.А.¡Григорьев С.А. Моделирование динамических во мущений плотности и температуры ноносферно - магнитосферной плазмы на лла мосфериых высотах //Космические исследования (в печати).

Ю.Власов М.Н.,Григорьев С.А.,Ишанов С.А. Влияние динамического воздейств! в плазмосфере иа суточный ход NmF2 //Космические исследования (в печати).