Введение к работе
Актуальность 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 магнктосферной плазмы.
Актуальной является проблема загрязнения верхних слоев атмосферы от выбросов химических веществ космическими аппаратами. На ионосферных высотах при выбросах таких химически активных газов, как ЯгО, ITj, COj, могут создаваться области пониженной электронной хонцентрацни(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 н свойствах искусственно возмущенной ионосферы и нейтральной атмосферы. Примером исследований такого рода являются эксперименты по инжекцин химически активных газов в области F 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 пределением электронов х ионов со средней энергией
Щ a кТе =f 0,03 -5- 0,4эВ
я концентрацией ni,- ег 102 * Ю'см-8. В областях замкнутых силовых линий геомат ннтного поля существенную роль в динамике ионосферной плазмы играет плазма сфера (WJ ~ кТ, Я 0, S + 1эВ, и,,,- ~ ІО'см-8), с которой ионосфера обмениваете; потоками частиц и анергии.
Теоретическое исследование системы иоиосфера-плазмосфера сильно затруднен' следующими обстоятельствами:
а) распределение плазмы существенно неоднородно (в обычном пространстве и і
пространстве скоростей), вследствие чего в ионосфере плазма является столкнови
тельной, в нижней части плазмосферы (L=2-3) — слабостолкновительяой, в остальноі
части плазмосферы, а также во внешних областях магнитосферы плазма являете:
бесстолкяовительной;
б) нелинейностью описываемых процессов;
в) сложностью химического состава среды и его изменчивостью по высоте;
г) большими пространственно - временными масштабами рассматриваемых явле
ни*.
Несмотря на указанные сложности рассматриваемых задач, развитие методов вы числительной математики, повышение их эффективности, применение мощных бы стродействующих ЭВМ позволило приступить к разработке математических моделей адекватных реальным физико-химическими процессам.
Дель работы:
-
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.
-
Сравнительный анализ различных гидродинамических приближений для опи сания ионосферио - магнитосфериой плазмы.
-
Теоретическое исследование аффектов антропогенных воздействий на ионосферу на основе построенной модели.
-
Численное исследование переноса плазмы и энергии вдоль силовых линий геомагнитного поля в естественных условиях и в условиях антропогенного воздействия.
-
Нахождение оптимальных в смысле экономичности и точности численных методов для решения уравнений квазягидродинамиси, описывающих состояние ионо-сферно - плазмосферяой 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 ионосферио - плазмосферной плазмы на основе разработанной нествцяонариой,согласованной,мяогохомпонеятиой 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 на 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 - плазиосферного обмена при разнесенных по времени н пространству антропогенных воздействиях проявляются в заметных изменениях ионных потоков из сопряженных областей и долговременных изменениях электронных концентраций в области главного ионосферного
максимума.
Проведено численное исследование влияния антропогенного динамического возмущения плазмосферы на поведение замкнутой системы ионосфера - ллазмосфера Установлены характерные времена релаксации электронной концентрации, плазменной температуры, скоростей ионов к фоновым значениям. Динамические эффекть возмущения на начальной стадии приводят как к понижению концентрации электронов, так и к охлаждению плазмы(адяабатическое возмущение) на высотах плазмо сферы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается физически обоснованно! постановкой задачи, правомерностью принятых допущений при разработке математической модели, оценками применимости используемых методов численного интегрирования 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 яоносферно - ллазмосферных взаимодействий позволяеі 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 планирования дорогостоящих экспериментальных исследований и для совершенствования прогноза состояния ионосферы.
На зашиту выносятся:
1.Нестационарная гидродинамическая модель геомагнитной силовой трубки, учи-
тыкающая до восьми сортов положительных ионов (Я+, 0+,0+, ЛГО+, N}, Я,0+, Я80+,ОЯ+), метастабильяые (0?D),N(?D)) и малые компоненты, позволяющая корректно описывать ионосферно - ллазыосферную плазму от нижней границы F-области до нескольких радиусов Земли в различных геофизических ситуациях.
2.Результаты сравнительного анализа различных гидродинамических приближений для описания ионосферно - магиитосферноЯ 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 ионосферяо-магнитосфер-ной динамики в системе координат, связанной с геомагнитной силовой линией и пакет прикладных программ задачи моделирования.
Реализация результатов. Основные результаты исследований использованы лри выполнении НИР по научным программам AS СССР и Минвуза РСФСР "Автоматизированные системы научных исследований и обучения" (1981-1985гг.), Гособразования СССР "Математическое моделирование в научных и технических системах" (1989-199ІГГ.), по решениям ВПК и Минвуза РСФСР, по программе АН СССР "Радиоволны" по теме "Глобус КГУ 91-92", по программе "Университеты России", НТП "Математическое моделирование в научных х технических системах", проект ММ 7.12, (1992-1996ГГ.), гранту РФФИ N95-01-0112Ja (Ш5-1997гг.).
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.Светлогорск,1989), на 10-м Международном семи-
иаре по математическому моделированию ионосферы(г.Казаиь,1990),на 18-fi 26-й ежегодных научных конференциях лрофессорсхо - преподавательского состава Калининградского государственного университета, семинарах Института прикладной геофизики имени академика Федорова Б.К., Института математического моделирования РАН, Института динамики геосфер РАЕ.
