Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава I. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ 28
1Л, Гидродинамическое описание ионосферной плазмы Ж 28
1.2. Кинетическое описание плазменных компонент 38
1.3. Элементарные процессы 1.3.1, Источники и стоки заряженных частиц 48
1.3.2, Источники быстрых электронов и сечения их взаимодействия 60
1.3.3, Источники нагрева и охлаждения тепловых электронов \ 66
1.3.4, Источники и стоки малых нейтральных составляющих 68
1.4. Теоретическая модель ионосферы и плазмосферы 71
Глава 2, МОДЕЖ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНИЗАЦИИ В СРЕДНЕШЙРОТНОЙ
ИОНОСФЕРЕ 81
2.1, Распределение ионизации в областях ионосферы к 81
2 Л Л. Дневные условия 81
2.1.2. Ночные условия 92
2.2, Моделирование области FZ ионосферы 98
2.2.1, Дрейфовые движения плазмы 98
2.2.2. Распределение ионизации 107
2.3, Распределение ионных компонент в верхней ионосфере и плазмосфере 119
2.3.1. Верхняя ионосфера 119
2.3.2. Плазмосферный резервуар заряженных частиц..
Моделирование нестационарных эффектов в области ионосферы 135
Глава 3. МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНИЗАЦИИ В ЭКВАТОРИАЛЬНЫХ И АВРОРАЛЬНЫХ ШРОТАХ .Ж. 144
3.1. Моделирование экваториальной области FZ ионосферы... 144
3.2. Моделирование эффектов магнитосферной конвекции в плазмосфере .Ж 158
3.3. Гидродинамическая модель "полярного ветра" ! 166
3.4. Кинетическая модель "полярного ветра" 173
Глава 4. МОДЕЛИ ЭНЕРГЕТИКИ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ 186
4.1. Функция распределения быстрых электронов в плазмосфере 186
4.2. Функция распределения быстрых электронов на ионосферных уровнях 205
4.3. Моделирование плазменных температур в средних широтах. 224
4.4. Особенности моделирования плазменных температур в экваториальных и авроральных широтах 2 4.4.1. Экваториальные широты. 231
4.4.2. Авроральные широты 236
Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ И
ПЛАЗМОСФЕРЫ 4 J. 243
5.1. Средние широты Я%. 245
5.1.1. Равноденствие, солнечная активность Р йО, широта y- V 245
5.1.2. Широтные, циклические и сезонные вариации 262
5.2. Экваториальные и высокие широты 274
6.1. Теоретическая часть гибридной модели 291
6 Л ігоритм расчета электронной концентрации 291
6.1.2. Алгоритм расчета плазменных температур 303
6.2. Статистическая часть гибридной модели Ч 308
6.3. Методы и результаты коррекции гибридной модели...
6.4. Сравнительный анализ прикладных ионосферных моделей. 353
ЗАКЛЮЧЕНИЕ \ 372
ПРИЛОЖЕНИЯ 375
Приложение I. Решение уравнения Ломмеля t 375
Приложение 2. Дипольная система координат ІЗ... 378
Приложение 3. Траектории конвективного движения заряженных частиц V 384
ЛИТЕРАТУРА Я 3
Введение к работе
Целью исследований является развитие теории построения прикладных ионосферных моделей, вкушающей в себя: а) построение теоретической, глобальной модели ионосферы и плазмосферы, уравнения которой интегрируются вдоль силовых линий геомагнитного поля; б) разработку и реализацию оперативных численных алгоритмов прикладной модели, основанных на результатах аналитического решения упрощенных вариантов исходных уравнений; в) построение статистических моделей ионосферы путем статобработки экспериментальных данных мировой сети станций вертикального зондирования; г) разработку методов коррекции теоретических расчетов по статистическим моделям дяя повышения точности описания реальных ионосферных условий,
Методы и направление исследований. В основу разработки методов построения прикладных ионосферных моделей положены выбор и обоснование структурной схемы теоретической модели ионосферы и плазмосферы, включающей уравнения непрерывности для основных ионных и малых нейтральных компонент верхней атмосферы, уравнения движения нейтрального газа, уравнения теплопроводности для электронов и ионов и кинетическое уравнение для быстрых электронов ().
Результаты численного решения полного варианта теоретической модели ионосферы и плазмосферл анализируются путем сравнения с результатами аналитических расчетов. На основании такого сравнения делаются более детальные, чем в аналитической модели, выводы о причине тех или иных вариаций ионосферы и выясняется степень надежности приближенных методов ее аналитического описания. Посредством сочетания численных и аналитических методов математического моделирования строится оперативный численный алгоритм теоретической ионосферной модели, используемой в при- кладных расчетах состояния среды на трассах распространения коротких радиоволн. В результате существенно уменьшается время численных расчетов без особенного понижения точности этих расчетов и нарушения физической адекватности структуры теоретической модели; (современной схеме ионосферных процессов.
Для повышения точности описания реальных вариаций ионосфер- ных параметров используется коррекция теоретической модели по г статистическим моделям слоев Е , г/ и F2 ионосферы, полученных при статистической обработке экспериментальных данных мировой сети станций вертикального зондирования. Здесь имеет место теоретической и статистической моделей в единой та ной модели ионосферы (), которая, как и всякий удачно созданный гибрид, сочетает в себе достоинства его ж взаимн0 исключает их недостатки. Коррекция базируется на использовании методов оптимального управления, позволяющих так подобрать недостаточно известные входные данные теоретической модели (константы реакций, параметры нейтральной атмосферы, интенсивности внешних воздействий и т.п.), чтобы на уровнях слоев Г ,/У j и Л? теоретическое решение совпало с величинами, даваемыми ста- ; тистическими моделями, этих слоев. Поэтому гибридная модель соче- j тает точность и детальность статистического метода, а также описывает вертикальное распределение электронной концентрации и прочих параметроБ ионосферы, не включенных в статистические модели. Помимо этого появляется возможность моделирования вероят- ностных характеристик отклонений реальных значений электронной концентрации от их фоновых невозмущенных значений.
Таким образом, методы исследований, проведенных в работе, базируются на сочетании методов таких направлений современного естествознания как теория построения математических моделей ионосферы, статистическая теория обработки экспериментальных " данных и теория оптимального управления. Такое сочетание позволяет на более высоком уровне решать задачи как прикладного, так и общенаучного значения. Следовательно, проведенное в диссертации развитие и обобщение теории прикладных ионосферных-моделей гибридного типа может квалифицироваться как достаточно важное и перспективное направление в современной геофизике.
Похожие диссертации на Теория оптимальных прикладных моделей ионосферы
