Введение к работе
.;;;' "і.
Актуальность темы
Ионосферная плазма представляет собой часть земной атмосферы, состоящей из нейтральных частиц, концентрация которых экспоненциально убывает, с высотой, и малой проводящей добавки, неоднородной во высоте и оказывающей существенное влияние на физические процессы. Эта проводящая среда образуется в результате сложного взаимодействия как процессов, включающих фотоионизацию, рекомбинации и химические реакции, так и движения ионов и электронов, являющегося следствием воздействия нейтральных ветров, электрических полей, диффузии плазмы и геомагнитного поля.
Как показывает экспериментальные наблюдения,в F-области ночной ионосферы существует широкий спектр неоднородностей концентрации плазмы с масштабами от 10см до 100км. Их происхождение связывают с несгабильностями плазмы F-слоя, в частности,дрейфовыми неустойчнвостями,неустойчивостью Рэлея-Тейлора. В литературе имеется точка зрения, что генерация столь широкого спектра неоднородностей начинается с рождения крупномасштабных структур из-за неустойчивости Рэлея-Тейлора, которые инициируют более мелкомасштабные процессы. Поскольку инкременты оказываются одного порядка.наблюдателем весь спектр воспринимается как вспыхивающий сразу.
Достаточно полное теоретическое описание этих явлений достигается на основе классических законов с привлечением уравнений Максвелла и уравнений многокомпонентной
- г -
газодинамики. Основные трудности на этом пути связаны с нелинейностью получающейся системы уравнений, которая описывает плазменные явления, не имеющие простой симметрии. Поэтому для теоретического анализа этой чрезвычайно сложной проблемы наиболее адекватно численное моделирование, позволяющее исследовать нелинейную динамику процессов, уровни насыщения неустойчивостей и т. д.
Такие математические модели, решение которых получено численным путём с привлечением ЭВМ, позволяют не только и не столько иллюстрировать определённые физические эффекты и давать оценку относительной важности разных факторов, но и, самое существенное, отслекивать сложную эволюцию плазменных процессов в пространстве и во времени. Поскольку система уравнений модели основана на классической теории, то численные, расчёты можно считать эквивалентными теоретическим расчётам. Основное внимание в этом случае следует уделять проблемам упрощения базовой . системы уравнений модели и выбору адекватных численных методов решения с тем, чтобы полученная компьютерная программа соответствовала конфигурации,доступной пользователю ЭВМ.
Такой анализ весьма важен с фундаментальный и прикладной точки зрения, а именно увеличения надёжности, дальности, действия и информативном радиотехнических систем связи и навигации, активных экспериментов с бариевыми облаками, физики процессов вертикального переноса малых примесей, генерации вистлеров и много другого. К сожалению, пока не существует модели неоднородной структуры ионосферы,
голностьв отвечающей этим потребностям. Это делает весьма іктуальньш создание теории возникновения и развития яоносферных неоднородностей, которая чрезвычайно важна для лредскаэания и описания диэлектрических свойств ионосферы.
Основная цель работы
Настоящая диссертационная работа посвящена современной теории происхождения и звотщии гак называемых' "пузырей" -нестационарных ионосферных дыр, среднемасштабных поперёк геомагнитного поля, имевших ярко выраженнуп депрессии электронной концентрации,-которые наиболее часто встречаются в приэкваториальной кочкой F-cdnacra. Целью работы является:
-
построение иерархии численных моделей исследования "пузырей". Для этого нужно: а) получить из общепринятых классических уравнении Максвелла и уравнений многокомпонентной гидродинамики упрощённые нелинейные уравнения в частных производных, отвечающие поставленной выше задаче; б) аппроксимировать эти уравнения на сетках конечных разностей и затем запрограммировать итоговые нелинейные алгебраические уравнения. Полученная численная модель должна воспроизводить основные закономерности изучаемых плазменных процессов;
-
исследование с помощью этого инструмента нелинейной дкнаышси и термодинамики пространственно-временных структур, которые связаны с возникновением и развитием ионосферных "пузырей" в приэкваториальной ночной F-области под действием механизмов наличествующих неустойчивостей.
Вклад автора в полученные результаты
Настоящая работа является частью НИР, выполненной і коллективе авторов. Конкретный вклад автора заключается і следущем: 1) выведены упрощённые уравнения в частных производных численных моделей; 2) выполнено програмьшроаащге итоговых алгебраических уравнений; 3) организованы и проведены вычислительные padora на ЭВМ; 4) обработаны и интерпретированы полученные результаты. Автор приносит искреннею благодарность к. ф.-м. н. Н. М. Кааенко за постоянные обсуждения различных проблем при подготовке диссертации, выполнение конечно-разностной аппроксимации и разработку алгоритма решения уравнений, а также к. $. -м. н. А. В. Пецу за физическую постановку и обсуждение основных идей простейшей экспресс-модели.
Научная новизна работы
Материалы диссертации обладает достаточно высокой научной новизной, основные элементы которой следуваше.
1. Разработан и адаптирован ряд совершенно новых многомерных электродинамически согласованных численных моделей, предназначенных для теоретического исследования нелинейной динамики среднеыасштабных неоднородностей ночной экваториальной F-обласги ионосферы. Эти модели вкявчают, как свою составную часть, общепринятые эмпирические модели нейтральной атмосферы и воспроизводят главные эмпирические характеристики приэкваториальной F-области вместе с эволвционирующими в ней плазменными неоднородностями.
2. Впервые подробно исследованы механизмы рождения
"пузырей". Рассмотрены следующие процессы их генерации:
а) появление в нижележащем Е-слое локализованных зон
повышенной проводимости с дальнейшей их проекцией вдоль
силовых линий в F-слой и образованием гам "пузырей";
б) прохождение внутренней гравитационной волны в
нейтральной атмосфере с увлечением заряженных частиц
ионосферы и образованием "пузырей".
3. Впервые подробно исследовано влияние на эволюцио
развитых "пузырей" таких важных факторов, как:
а) амбиполярнэй диффузии и Е-области как нижележащей проводящей подложки;
6D термодинамики ионосферной плазмы и азрономических ионосферных процессов;
вЗ тяжёлых ионов, инерционности ионов и внешнего, зонального электрического поля;
г) взаимодействия нескольких конкурируюаих "пузырей".
Практическая значимость работы
Численнув технологию решения нелинейных многомерных уравнений, разработанную в настоящей диссертации, можно очень широко использовать в прикладных и теоретических задачах многих отраслей физики плазмы и атмосферы, в работе таких организаций, как ИНГ,- ИКИ, ИЗМИРАН и других. Созданные численные модели могут служить основой задания среды' для задач распространения радиоволн и колебаний земной атмосферы и проведения вычислительных экспериментов по
физике ионосферы. Полученные результаты необходимо учитывать при проведении экспериментов по генерации F-рассеяния и вистлеров и для анализа данных наблюдения ионосферных неоднородностей и прохождения электромагнитных волн,
Апробация работы
Материалы диссертации представлялись автором в виде устных докладов на ХШ научной конференции молодых учёных и специалистов №ТИ (Москва, 1987), IV школе-семинаре по математическим моделям ближнего космоса СДивногорск, 19883, IV международной рабочей группе по нелинейным и турбулентным процессам в физике "Нелинейный мир" (Киев, СССР, 1989), ХХШ генеральной ассамблее международного научного радиосоюэа (Прага, Чехословакия, 1990) и в виде стендовых докладов на Международной школе-семинаре "Математические модели, аналитические и численные методы в теории переноса" (Минск, СССР, 1986), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование: нелинейные проблемы и вычислительная математика" (Звенигород,1988), V конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой" (Ташкент, 1989), IV международной школе по моделирование космоса (Киото и Нара, Япония,1991). Апробация работы также проведена на Всесоюзной школе-семинаре молодых учёных и специалитов "Математическое моделирование в естествознании и технологии" (Светлогорск, 1988), XVI генеральной ассамблее европейского геофизического общества (Висбаден, Германия, 1991) и на семинаре по физике плазмы унизерситета штата Техас (Остин, США, 1991).
Структура и объём работы
Настоящая диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 100 страниц основного гексга, 20 страниц иллюстраций и 10 страниц библиографии, включающей работы российских и зарубежных авторов.
Похожие диссертации на Изучение нелинейной динамики среднемасштабных неоднородностей в низкоширотном F-слое
