Введение к работе
Познание закономерностей изменений состава и свойств различных областей ионосферы является одной из фундаментальных проблем современной геофизики, физики атмосферы и экологии. Эффективным средством изучения этих закономерностей является математическое моделирование исследуемых процессов. В ионосфере, в зависимости от концентрации свободных электронов, выделяются несколько вертикальных слоев (области D, Е и F). Каждая из них характеризуется своими специфическими механизмами образования и потерь заряженных частиц. D-область (нижняя часть ионосферы) расположена на высотах от 50 до 90км. Сложность ее изучения определяется многообразием протекающих в ней физико- химических процессов и трудностью получения экспериментальных данных. Константы скоростей реакций и роль химически активных малых нейтральных составляющих, таких как озон, углекислый газ, водяной пар и другие можуг быть исследованы только в лабораторных условиях. Поэтому математическое моделирование указанных процессов является естественным способом, позволяющим в рамках единых физических представлений проанализировать и сопоставить данные лабораторных экспериментов с результатами натурных наблюдений.
Актуальность решаемых задач, включающих исследование всего комплекса явлений в D-области, и выделение и описание процессов, определяющих электронную концентрацию при различных возмущениях, определяется, в частности, их важностью в приложениях (распространение радиоволн, диагностика и прогноз состояния ионосферы и другие).
Б настоящее время сложились следующие подходы к построению математических моделей физико-химических процессов в ионосфере:
простейшие модели феноменологического типа, включающих 1-3 обыкновенных дифференциальных уравнения (ОДУ) и позволяющие описать наиболее обшие закономерности фотохимических процессов, влияющих на электронную концентрацию в ионосфере,
детальные схемы, учитывающие большое количество процессов (сотни химических реакций), описывающие концентрации многих атмосферных составлящх в различных геофизических условиях. Эти модели представляют собой системы нелинейных ОДУ большой размерности (десятки уравнений), численное решение которых связано с рядом трудностей. В результате их сложно использовать в качестве составных частей при моделировании физических процессов, требующих многократного вычисления параметров фотохимических процессов в атмосфере. Таким образом, возникает необходимость построения моделей промежуточного уровня подробности, которые позволяли бы количественно описывать динамику интересующих нас составляющих ионосферной плазмы и вместе с тем достаточно простых с вычислительной точки зрения. В настоящее время существует ряд упрощенных моделей, позволяющих расчитывать концентрации заряженных частиц в атмосфере. Однако, особенностью этих моделей является то, что использованные при их построении предположения выполняются в ионосфере при естественных условиях (слабые возмущения). Отсутствие учета изменчивости коэффициентов модели при сильных возмущениях приводит к невозможности их использования для описания ряда важных физических явлений, возникающих при сильных воздействиях на ионосферу, в частности, антропогенного характера. В связи с этим возникает необходимость разработки модели, достаточно простой и удобной в применении и в то же время учитывающей основные зависимости, полученные при анализе процессов, включенных в детальные схемы преобразования ионов, в
возмущенной D-области. Такая модель должна хорошо воспроизводить наблюдаемые вариации основных аэрономических параметров, таких как относительное содержание кластерных ионов, высота перехода от простых положительных ионов к кластерным, от отрицательных ионов к электронам и другие закономерности, наблюдаемые в ионосфере при отсутствии сильных возмущений. Она также должна количественно описывать процессы, имеющие место при сильных воздействиях на ионосферу.
Целью данной работы является:
1. Построение математической модели ионизационно-
рекомОинационного цикла, предназначенной для исследования
механизмов, определяющих поведение концентраций заряженных частиц в
средней атмосфере, учитыващей зависимости эффективных скоростей
преобразования ионов от основных метеорологических параметров
(температуры, концентраций малых атмосферных составляющих (МНС)),
а также от скоростей ионизации атмосферы.
2. С помощью построенной модели количественно описать
процессы, происходящие под воздействием двух видов возмущений
ионосферы:
при слабых возмущениях, характеризуемых изменением электронной концентрации в пределах одного порядка,
при сильных возмущениях, характеризуемых изменением электронной концентрации на несколько порядков.
Для решения этих задач была создана методика численного эксперимента, реализованная в виде комплекса ФОРТРАН- программ для IBM PC, позволяющая с заданной точностью провести численное моделирование для широкого спектра начальных условий и типов возмущений, исследовать механизмы нарушения фотохимического равновесия при возмущении ионосферы акустическими волнами,
получить прогноз динамики состояния ионосферы при сильных возмущениях атмосферы, связанных со взрывами.
Научная новизна состоит в том, что с помощью построенной модели ионизационно- рекомбинационного цикла, впервые с единых теоретических позиций количественно исследованы механизмы нарушения фотохимического равновесия и получены оценки динамики основных аэрономических параметров и составляющих ионосферной плазмы при разнообразных воздействиях на ионосферу.
Научно- практическая ценность работы состоит в том, что :
1. Отработана методика численного эксперимента, позволяющая
с помощью расчетов проводить моделирование разнообразных
ситуаций, связанных с воздействием на ионосферу как природного,
так и антропогенного характера.
2. Проведен количественный анализ состояния D-области
ионосферы в возмущенных условиях, что имеет важное значение для
совершенствования методик прогноза распространения радиоволн и
практического обеспечения радиосвязи.
3. Построенная модель является частью более общей модели,
предназначенной для описания широкого класса процессов в средней
атмосфере.
На защиту выносится следующие результаты:
-
Построена и обоснована математическая модель, описывающая изменение концентраций заряженных частиц на высотах от 40 до 90 км. Коэффициенты модели являются нелинейными функциями параметров нейтральной атмосферы и скоростей ионизации, что дает возможность исследовать явления, происходящие в ионосфере, при разнообразных воздействиях.
-
Количественно исследованы и описаны механизмы процессов нарушения фотохимического равновесия D-области ионосферы,
происходящие под воздействием:
прохождения акустических и акустико-гравитацюкных волн,
разогрева атмосферы,
изменения концентраций МНС атмосферы.
3. Получен прогноз состояния ионосферы при сильных возмущениях, -вызванных ядерными взрывами.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, общим объемом 120 страниц. В работе приведено 30 рисунков, библиография содержит 87 наименований.