Содержание к диссертации
Обозначения и терминология 4
Введение б
1. Обзор экспериментальных данных і і
L Экспериментальные данные по составу верхней ат
мосферы и области D 12
2. Основные физико-химические процессы, опреде
ляющие состав нейтральной атмосферы 27
2. Модели ионосферы 31
Построение моделей 31
Обзор моделей 40
3. Численные методы 42
Разностные схемы для уравнений модели 44
Методы прогонки 48
Начальные и граничные условия 53
4. Модель мезосферы и нижней термосферы 56
Описание модели 58
Результаты численных расчётов 64
Роль окиси азота в D и Е областях 70
Оглавление
5. Зимняя аномалия области D 81
Характерные особенности зимней аномалии 82
Возможные подходы к объяснению механизмов зимней аномалии 87
Заключение 96
Список иллюстраций 99
Список таблиц 100
Предметный указатель 102
Литература 104
Список используемых обозначений и терминология
600 т к
Рис. 1. Области ионосферы и атмосферы
[X] Ne Tn
0*{lD), «горячие» атомы
Ях 0\
LT турбопауза
шкала высот, Н
Лаимаїї-а — линия атомарного водорода с длиной волны 1215 А; равномерная сетка с шагами h, г; множество внутренних узлов сетки й>Лг; W+l — следующий временной слой; W — предыдущий временной слой; концентрация частиц X; электронная концентрация; температура нейтрального состава атмосферы;
электронно-возбуждённый атомарный кислород 0(lD) с энергией ^ 1.27 эв; скорость фотоионизации частицы Х\ колебательно-возбуждённый молекулярный кислород; местное время;
область высот, выше которой основной вклад в динамические процессы вносит молекулярная диффузия, а ниже — турбулентное перемешивание (90-100 км.); расстояние, на котором концентрация меняется в е раз, Я = кТ/тд, где к -~ постоянная Больцмана, Т — температура, m -масса, д — ускорение свободного падения.
Введение к работе
Актуальность проблемы. Целью теоретических исследований верхней атмосферы и ионосферы является детальное описание основных свойств и процессов, в них протекающих. Решение этой проблемы позволяет решать задачи обеспечения надёжной работы навигационных систем и дальней радиосвязи, обеспечения полетов космических аппаратов и т.д.
Несмотря на некоторый прогресс в экспериментальных и теоретических исследованиях мезосферы и нижней термосферы, достигнутый в последние десятилетия, небольшое число экспериментальных данных, их разрозненность по отношению к гелио-географическим условиям экспериментов, не позволяет строить эмпирические или полуэмпирические модели. Поэтому для более полного понимания физико-химических процессов, протекающих в верхней атмосфере и ионосфере необходима математическая модель, которая позволила бы сопоставить теоретические и экспериментальные результаты по большому количеству параметров.
В дайной работе построена модель мезосферы и нижней термосферы — область высот 50-250 км. Эта область высот в настоящее время является наименее изученной частью верхней атмосферы. Б то же время совокупность процессов, протекающих в ней и ниже, в достаточно большой степени контролирует состояние вышележащих областей атмосферы. На высотах мезосферы формируется нижняя ионосфера — область D, в которой наблю-
даются 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. Целью данной работы является построение одномерной диффузионно-химической математической модели мезосферы и нижней термосферы, описывающей высотно-временное поведение основных, малых, возбуждённых, а также заряженных компонент, и, на основе анализа этой модели, объяснение существования отдельных явлений и особенностей поведения верхней атмосферы и ионосферы на высотах 50-250 км. В частности:
проанализировать и усовершенствовать численные методы для решения уравнений модели;
уточнить механизм образования окиси азота и рассчитать ого концентрацию;
рассчитать и объяснить увеличение концентрации окиси азота и электронов в период зимней аномалии области D с учетом имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных.
В связи с тем, что метод исследования заключается в проведении вычислительных экспериментов на основе численного решения системы дифференциальных уравнений в частных производных, одна из целей работы состоит в анализе и построении разностных схем требуемого качества.
Научная новизна.
Построена математическая модель средпеншротнои мезо-сфсры и нижней термосферы (область высот 50-250 км.) с учётом молекулярной диффузии, турбулентного перемешивания и более 200 фотохимических реакций. Модель удовлетворительно согласуется с имеющимися к настоящему времени экспериментальными данными.
Для системы дифференциальных уравнений модели построена разностная схема, обладающяя свойствами консервативности и численной устойчивости.
На основе разработанной модели:
объяснено стационарное поведение N0 на высотах ме-зопаузы в течение суток;
получены новые аналитические выражения высотного поведения [NO] и Тп с учётом современных представлений о зависимости температуры мезопаузы от уровня солнечной активности и других параметров;
подтверждена необходимость учета окиси азота в фотохимических процессах области Е и показано, что малые азотные составляющие существенно влияют на перераспределение [0%] и [NO+] в области 110-140 км. и мало влияют на электронную концентрацию;
4. На основе новых гипотез предложен возможный механизм
образования зимней аномалии в области D ипосферы. Полу
ченные на этой основе результаты вычислительного экспе-
римента удовлетворительно согласуются с экспериментально измеренными значениями О, O2Q Aff) для условий зимней
аномалии.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Главы делятся на параграфы. Нумерация формул и рисунков ведётся по главам, на стр. 4 приведён список используемых обозначений и использованная в работе терминология,
В главе 1 дан краткий обзор экспериментальных данных по нейтральному, ионному составам и электронной концентрации, имеющихся к настоящему времени. Рассмотрены основные фотохимические реакции и физические процессы, определяющие нейтральный и ионный состав мезосферы и нижней термосферы.
В главе 2 описана иерархическая цепочка моделей поведения большого количества частиц, позволяющяя построить при помощи ряда последовательных упрощающих предположений, по принципу «сверху-вниз» модель динамики ионосферной плазмы. Это даёт возможность при разработке и анализе модели точно определить её место в общей иерархии моделей изучаемого явления, что позволяет правильно оценить область применения математической модели и чётко установить связь с моделями других уровней, необходимую для более глубокого понимания совокупности рассматриваемых явлений и правильной оценки степени адекватности модели реальности. В этой же главе дан краткий обзор имеющихся моделей, относящихся к рассматриваемой области высот, отмечены их достоинства и недостатки.
В главе 3 рассматриваются вопросы численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа, к которым сводятся уравнения
модели. Анализируются разностные схемы и способы представления граничных условий. Дан обзор различных вариантов метода прогонки. Для системы дифференциальных уравнений данной модели построена консервативная и численно устойчивая разностная схема.
В главе 4 подробно описана математическая модель мезосфе-ры, нижней термосферы и ионосферы, представлены результаты вычислительного эксперимента, подтверждающего необходимость учёта окиси азота в фотохимических процессах области Е, Показано, что неучёт NO приводит к уменьшению [Ne] примерно на порядок в области 80 км. и что малые азотные составляющие существенно влияют на перераспределение [0] и [NO+] в области высот 110-200 км. и не влияют на электронную концентрацию. Объяснено стационарное поведение [NO] в течение суток па высотах мезопаузы. Получены новые аналитические выражения высотного поведения [NO] и Тп с учётом современных представлений (зависимость температуры мезопаузы от уровня солнечной активности многолетнего поведения её высоты при расчёте высотного распределения концентрации N0).
В главе 5 рассмотрены основные экспериментальные данные, полученные при исследовании зимней аномалии области D, некоторые гипотезы, объясняющие данный эффект. Предложено новое возможное объяснение зимней аномалии, представлены результаты вычислительного эксперимента по её исследованию, удовлетворительно согласующиеся с полученными к настоящему времени экспериментальными данными.
В заключении приведены основные результаты, полученные в дайной работе.
