Введение к работе
Актуальность темы. Интерес исследователей к процессам, происходящим в космосе в окрестности Земли и их влиянию на судьбу нашей планеты в последние годы постоянно возрастает. Здесь источник новых важных фундаментальных проблем и задач практического характера. Достаточно упомянуть часто обсуждаемую гипотезу о том, что жизнь когда-то была занесена на Землю из космоса, а также вопросы, связанные, например, с обеспечением дальнейшего безопасного существования планеты в свете осознанной и вполне реальной астероидной и кометной опасности.
Столкновения с Землей астероидов и комет очевидно подтверждаются гигантскими метеоритными кратерами, обнаруженными на Земле и наблюдаемыми на других планетах. В то же время возможно существование и других, может быть более редких, но не менее опасных явлений и процессов в ближнем космосе, угрожающих жизни на Земле. К одному такому классу гипотетически возможных процессов можно отнести появление (или образование) в окрестности Земли больших объемов космической пыли (мелких космических частиц) с достаточно высокой их концентрацией и последующее столкновение таких пылевых облаков с планетой.
В системе связей Земли с космосом процесс взаимодействия земной атмосферы с космической пылью имеет большое значение. Космическая пыль попадает в земную атмосферу и выпадает на земную поверхность постоянно. Помимо обычных незаметных или одиночных ярких вторжений имеют место более мощные взаимодействия в виде обильных метеорных дождей. Гипотетически мыслимы случаи еще более интенсивных взаимодействий, в которых концентрация пылевых частиц столь высока, что они взаимодействуют с атмосферой не по отдельности, а коллективно. Появление такого высококонцентрированного облака пылевых частиц вблизи Земли может быть связано, например, с очень близким прохождением ядра кометы, искусственным или естественным разрушением достаточно большого космического тела в ближайшей окрестности Земли или даже в ее атмосфере. Не исключено, что в космосе существуют или временами образовываются какие-то другие сгустки пыли или мелких частиц, концентрация которых значительно превосходит концентрацию частиц в обычно наблюдаемых в астрономии пылевых образованиях и которые могут влетать в земную атмосферу с высокой скоростью (например, по одной из гипотез Тунгусское космическое тело представляло собой пылевое облако). Поэтому изучение интенсивных взаимодействий атмосферы Земли с космической пылью представляет собой актуальную и пока еще мало изученную задачу.
Среди методов проведения научных исследований математическое моделирование давно занимает прочные позиции. Его несомненным достоинством является возможность решения конкретной задачи без проведения экспериментальных исследований, которые могут быть слишком дорогостоящими или вообще невозможными. Применительно к гипотетически мыслимому природному явлению — интенсивному взаимодействию плотных пылевых облаков с атмосферой — математическое моделирование представляется единственно возможным подходом.
Диссертация посвящена исследованию такого взаимодействия методами математического моделирования, механики двухфазных сред и вычислительной гидродинамики. Основное внимание уделяется построению математической модели явления и числен-
ных алгоритмов ее исследования, анализу особенностей процесса при различных исходных параметрах задачи, вопросам образования ударных волн в атмосфере и их воздействия на Землю.
Целью работы является:
постановка задачи об интенсивном взаимодействии облака космической пыли с земной атмосферой и разработка соответствующей математической модели;
исследование рассматриваемой задачи в плоской одномерной постановке, построение численного метода ее решения и анализ полученных результатов;
исследование рассматриваемой задачи в двумерной осесимметричной постановке, построение численного метода ее решения и анализ полученных результатов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:
дана постановка новой газодинамической задачи об интенсивном взаимодействии облака космической пыли с земной атмосферой, разработана математическая модель явления;
для одномерной и двумерной постановок разработаны эффективные алгоритмы решения задачи;
проведено подробное численное исследование одномерной и двумерной задач, выявлены основные характерные черты процесса, проанализировано влияние определяющих параметров на решение;
получены оценки условий, при которых вторжение в атмосферу плотного пылевого облака представляет опасность для Земли.
Практическая значимость. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию процессов, происходящих при взаимодействии космических тел с атмосферой. Они могут быть использованы для оценки опасности такого взаимодействия, в частности, при искусственном разрушении космических тел в окрестности Земли.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались на XXII Метеоритной конференции (Черноголовка, 1994 г.), на международной конференции «Актуальные проблемы вычислительной механики и параллельное моделирование» (Москва, 1995 г.), на Всероссийской конференции «Современные методы и достижения в механике сплошных сред» (Москва, 1997 г.), на научных конференциях МФТИ (1994, 1996, 1997 гг.), на научных семинарах под руководством проф. В.П. Стулова и проф. К.В. Краснобаева (механико-математический факультет МГУ) и проф. И.В. Немчинова (Институт динамики геосфер РАН). Исследования по теме диссертации поддерживались Российским фондом фундаментальных исследований в рамках проектов №№ 94-01-01474 и 97-01-00386.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 109 страницах, содержит 51 рисунок и 86 библиографических ссылок.