Математическая модель геомагнитной силовой трубки Григорьев, Сергей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы. Построение математических моделей ионосферы и плазмосферы Земли и применение методов вычислительного эксперимента для исследования процессов в околоземной космической шгазае является, начиная со второй половины 60-х годов, одним из главных иаправлегий развития как геофизических исследований, так и теории и практики математического моделирования. В настоящее время разработано большое число математических моделей различных областей ионосферы и плазмосферы, основанных на различных физических и ыатематических подходах. Наибольшее распространение получили так называемое диффузионные модели, хорошо описывающие плазму F-области, но неприменимые для исследования резко нестационарных процессов в верхней ионосфере и плазмосфере. В последние голы наибольшее внимание в ионосферных исследованиях уделяется именно таким процессам и явлениям С нестационарный "полгрный ветер", восстановление плазмосферы после геомагнитного возмущения,активные антропогенные воздействия на ионосферу и т.п.О. Этим обусловлена необходимость создания'л применения нестационарных математических моделей, основанных на последовательном гидродинамическом подходе, учитывающих достаточное число заряхенных компонентов ионосферной плазмы и способных, адекватно описывать высокоскоростные, а часто и разрывные, течения в геомагнитных силовых трубках. При этом .существенное значение приобретают оптимальные методы разностной аппроксимации системы моделирующих уравнений и алгоритмы численного решения получаемых систем разностных уравнений.

Основними целями работы являются :

1. Построение нестационарной гидродинамической многокомпонентной модели магнитной силовой трубки "TUBE" как инструмента для проведения вычислительных экспериментов в области физики ионосферы и плазмосферы.

2. Разработка численных алгоритмов решения уравнений квазигидродинамики, описывающих состояние ионосферной плазмы.

3. Численное исследование на основе модели "TUBE" ряда нестационарных процессов в системе ионосфера-плазмосфера.

_₄i

В связи с этим решались следующие задачи :

физическая постановка задачи моделирования геомагнитной силовой трубки ;

формализация задачи в рамках последовательного гидродинамического подхода ;

определение структуры модели и ее реализация в виде открытого гибкого программного комплекса ;

адаптация известных численных методов решения нестационарных уравнений теплопроводности, диффузии, непрерывности и движения заряженных частиц, а также построение новых алгоритмов численного решения системы уравнений непрерывности и движения ионаз ;

исследование и анализ различных численных методов применительно к традиционным задачам ионосферного моделирования и определение . области примененимости методов ;

численное моделирование выноса в магнитосферу тепловых ионов 0⁺ под действием интенсивного кратковременного электронного нагрева;

численное исследование динамики ионов Н* и Не* в процессе восстановления плазмосферы после геомагнитного возыуцения.

Научная новизна. Впервые была разработана нестационарная гидродинамическая модель, геомагнитной силовой трубки, учитываюцая до семи сортов положительных ионов СО*. Н*, Не*, If*, О*, NO*, Кг}, что позволяет корректно оцисывать ионосферно-плазмосферную среду в интервале высот' от нижней границы F-области. до нескольких радиусов Земли в различных геофизических ситуациях. Гибкая модульная структура модели "TUBE" позволяет использовать ее для исследования динамики плазмы- как в замкнутых, так и в разомкнутых силовых трубках геомагнитного поля, а также учитывать ьлепшие возмущения естественного и антропогенного характера.

Разработаны оригинальные вычислительные алгоритмы, позволяющие корректно рассчитывать сверхзвуковые разрывные течения плазмы в геомагнитных силовых трубках.

На примере двух популярных задач ионосферного моделирования проведено сравнение и качественный анализ различных методов численного решения системы уравнений непрерывности и движения ионов, показаны границы применимости диффузионного приближения, определен-

оптималышй из исследованных алгоритмов' решения задачи в гидродинамическом приближении.

Впервые детально исследована динамика ионов Н⁺ и Не⁺ во время заполнения опустошенных силовых трубок, показаны основные закономерности процесса * восстановления плазмосферы , проанализированы пространственно - временные распределения концентраций и скоростей заряженных частиц.

Проведены вычислительные эксперименты для изучения воздействия нестационарного нагрева в каспе и авроральной зоне на движение ионов 0* в высокоширотных силовых трубках, показано, что такой механизм может приводить к выносу тепловых ионов 0* в магнитосферу.

Практическая ценность. Математическая модель геомагнитной силовой трубки "TUBE" вошла в состав пакета прикладных программ "АРМИЗ",внедренного в Мировом Центре Данных Б Сг.Москва), различные версии модели "TUBE" и результаты проведенных на ее основе вычислительных экспериментов внедрены и используется в ИКИ АН СССР Сг. Москва), ИПГ Сг.Москва), ААШИ С г. Санкт-Петербург), ККФИА СО АН СССР Сг.Якутск), СЕРЕ Сг,Сен-Mop, Франция).

- На защиту выносятся :

нестационарная гидродинамическая многокомпонентная модель геомагнитной силовой трубки "TUBE";

алгоритмы численного решения системы нестационарных уравнений непрерывности и движения ионов;

результаты численного моделирования нестационарных процессов в замкнутых и разомкнутых геомагнитных силовых трубках.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 19-й - 22-й ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Калининградского государственного университета в 1983-1990 гг., на Международной конференции по результатам проекта "АРКАД-3" С г.Тулуза,Франция,1984 ), на 7-м С г.Иркутск,1984 ),8-м С г.Ростов-на-Дону,1986 ),9-м С г.Звенигород, 1988 ) Всесоюзных сешнарах по математическому моделированию ионосферы, на Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Математическое моделирование в естествознании и

технологии" С г. Светлогорск,1988 ), на 10-м Международном семинаре по математическому моделированию ионосферы С г. Казань,1990 ).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 1S8 страниц машинописного текста, 32 рисунка, 3 таблицы и библиографию из 214 наименований.