Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по математике

Математическое моделирование процессов мезосферы, термосферы и ионосферы

Автореферат докторской диссертации по физико-математическим наукам

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
 Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

В заключении диссертации приведены следующие результаты, полученные в работе:

Метод математического моделирования, применяемый в данной работе, позволил путём вычислительных экспериментом ответить на ряд проблемных вопросов: уточнить механизм образования окиси азота и рассчитать его концентрацию на высотах 50-500 км, рассчитать и объяснить увеличение концентрации окиси азота и электронов в период зимней аномалии области D с учётом имеющихся к настоящему времени экспериментальных данных.

Основные результаты диссертационной работыа заключаются в следующем.

1. Разработана одномерная, диффузионно-фотохимическая математическая модель, самосогласованно описывающая пространственно-временные вариации нейтральных, возбуждённых и заряженныха компонент в области 50-500 км. Модель учитывает молекулярную диффузию, турбулентное перемешивание, более ста химических реакций, что позволяет рассчитать пространственно-временное поведение следующих компонент: N2, O, O2, O3, O(1D), O(1S), O2(1Dg), O2(1?+g), N2(?), O2(?), H, p, OH, pO, pO2, N(4S), N(2D), NO, NO2, CO, CO2, H+, O+, O2+, NO+, O4+, N+, N2+, Ne, NO+(pO)n (n = 1, 2, 3), H+(pO)n (n = 1, 2, 3), Y+, СВ1+, СВ2+, O-, O2-, CO-, CO2-, NO-, NO2-, Y-, где Y+ - суммарная концентрация положительных ионов-связок, Y- - суммарная концентрация отрицательных ионов, N2(?), O2(?) - колебательно возбужденные молекулярные азот и кислород, асуммарная концентрация положительных ионов - связок отрицательных ионов, , .

В модели также рассчитываются следующие параметры: температуры нейтральных компонент Тn, ионных (О+, Н+)Тi, электронов Те, скорости и их потоки.

2. Для системы дифференциальных уравнений модели:

Ц построены разностные схемы, обладающие свойствами консервативности и численной устойчивости, способных воспроизводить задачу пограничного слоя, показано, что такие схемы можно построить лишь для преобразованных исходных дифференциальных уравнений, а для системы уравнений модели (непрерывности, движения и теплового баланса) построена однородная полностью консервативная разностная схема;

Ц работоспособность построенных схем и методов решения проверена на большом наборе тестовых задач;

- проведена алгоритмизация модели.

3. Разработан способ аппроксимации граничных условий со вторым порядком точности по координате. Численные расчеты показали, что использование этого способа при задании нулевого потока на границе повышает точность расчета концентрации O2 в области верхней границы.

- на примере расчета высотного распределения [O] и [NO] показана возможность эффективного использования краевых условий связного типа;

- работоспособность построенных схем проверена на большом числе тестовых задач различными вариантами метода прогонки (немонотонной обыкновенной, матричной, потоковой), а также путем сравнения результатов вычислительного эксперимента по расчету атомарного и молекулярного кислорода для реальных условий;

4. На основе построенной модели:

Ц проведен анализ скоростей ионизации в D и E областях ионосферы. В результате этого анализа показано, что относительная роль источников ионизации области D зависит как от времени суток, так и сезона: в зимнее время ионизации окиси азота излучением La является определяющей в процессах ионообразования; в летнее время в околополуденные часы ионизация колебательно- и электроновозбужденного молекулярного кислорода не менее важна, чем ионизация окиси азота; в утренние и вечерние часы возможна промежуточная ситуация. Проведенные расчеты скоростей ионизации также показали, что для летних и зимних условий в полуденные часы скорость ионизации O2(1Dg) может сравниться или даже превосходить скорость ионизации NO;

Ц проведены вычислительные эксперименты по выявлению основных источников нагрева и охлаждения мезосферы и нижней термосферы, показана инверсия температуры в области турбопаузы. Объяснена природа этой инверсии;

Ц проведены вычислительные эксперименты самосогласованного расчета температуры ионного и нейтрального состава, результаты которого показали удовлетворительное согласие с экспериментами;

Ц впервые детально разработан и количественно оценен вклад нового возможного механизма образования окиси азота и атомарного азота при взаимодействии горячих атомов O(1D) с N2 и показано, что этот механизм может являться основным источником окиси азота в мезосфере. Использование этой реакции впервые позволило согласовать результаты теоретических расчетов концентрации окиси азота с экспериментальными данными в этой области высот и объяснить стационарное поведение [NO] на высотах мезопаузы в течение суток;

Ц получены новые аналитические выражения высотного поведения Tn, [NO], [Ne] с учётом современных представлений о зависимости температуру мезопаузы от уровня солнечной активности и других параметров в области мезосферы;

Ц показано необходимость учёта окиси азота в фотохимических процессах области Е и что малые азотные составляющие существенно влияют на перераспределение [O2+] и [NO+] в области 110-140 км и мало влияют на электронную концентрацию.

5. В работе впервые детально исследован новый возможный механизм образования зимней аномалии области D и показано, что явление ЗА может быть объяснено на основе рассмотренного в работе мезосферного источника окиси азота. Полученные на этой основе результаты вычислительного эксперимента удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями [O], [O2(1?g)], [NO] и [Ne] для условий зимней аномалии.

6. Рассмотрено влияние концентрации колебательно возбужденных O2(n), N2(n) компонент на параметры ионосферной плазмы. В частности:

- представлена новая (без учета больцмановского распределения по колебательным уровням) математическая модель расчета концентрации колебательно-возбужденного молекулярного азота по уровням [N2(n)],;

- показано, что ионизация O2* излучением La, может явиться существенным источником заряженных частиц в области D ионосферы.

7. Детальный анализ и сравнение с экспериментальными данными показал, что модель позволяет удовлетворительно воспроизвести основные параметры среды.

8. Показана возможность практического использования построенной модели в целях распространения электромагнитных волн.

9. Алгоритм модели реализован в виде комплекса прикладных программ, написанных на языке программирования высокого уровня, и состоящий из нескольких независимых блоков, что позволяет расширять или сужать данную исследуемую область в зависимости от постановки задач (т.е. дает возможность проводить исследования независимо каждой области ионосферы, мезосферы и термосферы независимо друг от друга, а также объединять их в отдельные блоки), применять различные варианты аппроксимации и методы их решения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в 120 научных публикациях, под руководством диссертанта защищено 2 кандидатские диссертации с использованием материалов данной диссертации.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

  • Власов М.Н., Медведев В.В. О механизме образования N и NO в нижней термосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1981, т. 21, № 5, с. 857-862.
  • Власов М.Н., Медведев В.В. Ионный состав в нижней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1981, т. 21, № 5, с. 1034-1038.
  • Власов М.Н., Медведев В.В. Анализ источников ионизации в области D на основе теоретической модели // Геомагнетизм и аэрономия, 1984, т. 24, № 2, с. 187-190.
  • Власов М.Н., Медведев В.В. О возможном механизме формирования зимней аномалии области D // Радиофизика. Изд. высш. учеб. заведений, 1984, т. 27, № 4, с. 415-419.
  • Власов М.Н., Ишанов С.А., Медведев В.В., Латышев К.С. Модель динамики ионосферной дыры с учетом процессов в силовой трубке // Космические исследования, 1990, т. 28, № 2, с. 248-254.
  • Власов М.Н., Ишанов С.А., Медведев В.В. Моделирование эффектов антропогенных воздействий в сопряженных областях ионосферы и термосферы // Космические исследования, 1994, т. 32, № 1, с. 154-158.
  • Медведев В.В., Зенкин В.А. Возможная роль NO и ав образовании зимней аномалии области D ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 1998, т. 38, № 2, с. 156-160.
  • Медведев В.В., Никитин М.Б. Аналитическая аппроксимация высотного распределения [NО] в мезосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1999, т. 39, № 5, с. 124-127.
  • Медведев В.В., Никитин М.Б. Возможные источники окиси азота в мезосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия, 2001, т. 41, № 1, с. 132-136.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Самосогласованная модель нижней ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия, 2002, т.42, № 6, с. 780-789.
  • Медведев В.В., Латышев К.С., Никитин М.Б. К вопросу об аналитической аппроксимации высотного распределения окиси азота в мезосфере Земли // Геомагнетизм и аэрономия, 2002, т. 42, № 5, с. 646-648.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Влияние колебательно возбуждённого азота на рекомбинацию в ионосферной плазме // Геомагнетизм и аэрономия, 2003, т. 43, № 2, с. 248-255.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Моделирование электронных и ионных температур при антропогенных воздействиях на ионосферу // Космические исследования, 2004, т. 42, № 3, с. 313-314.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Роль горизонтальных составляющих скорости нейтрального ветра при антропогенных воздействиях на ионосферу Земли // Космические исследования, 2005, т. 43, № 1, с. 1-6.
  • Ишанов С.А., Медведев В.В., Захаров Л.П., Залесская В.А., Жаркова Ю.С. Эффекты возмущения нейтральных ветров // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, КГУ, 2005, № 1-2, с. 54-59.
  • Ишанов С.А., Медведев В.В., Залесская В.А. Колебательно и электронно-возбуждённый состав верхней атмосферы и ионосферы Земли // Математическое моделирование. 2006, т.18, № 5, с. 21-26.
  • Жаркова Ю.С., Медведев В.В., Ишанов С.А., Токарь В.Г. Использование математических моделей ионосферы для изучения распространения КВ-радиотрасс (радиосигналов) // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, 2006, № 10, с. 49-54.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Новикова Е.И., Жаркова Ю.С. Влияние магнитосферно-ионосферных потоков плазмы на F-область ионосферы // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, 2007, № 10, с. 15-19.
  • Захаров Л.П., Ишанов С.А., Медведев В.В. Ионосферно-магнитосферные потоки. // Вестник Российского государственного университета им. И.Канта. Серия Физико-математические науки. Калининград, 2008, № 10, с. 33-37.
  • Ишанов С.А., Медведев В.В., Залесская В.А., Жаркова Ю.С. Математическое моделирование ионосферных процессов в целях распространения радиоволн // Математическое моделирование, 2008, т. 20, № 4, с. 3-7.

Публикации по теме диссертации в других научных изданиях:

  • атышев К.С., Медведев В.В. Варианты метода прогонки численного решения уравнений диффузии ионов в задачах моделирования ионосферы // В кн. диагностика и моделирование ионосферных возмущений. М.: Наука, 1978, с. 108-114.
  • атышев К.С., Бобарыкин Н.Д., Медведев В.В. Разностные методы решения системы одномерных газодинамических уравнений в задачах моделирования ионосферы // Ионосферные исследования, 1979. № 28, c. 37-48.
  • атышев К.С., Медведев В.В. Численный расчет высотного распределения атомарного кислорода в мезосфере и нижней термосфере // Сб. Электродинамика и распространение радиоволн. Томск. 1982. В.2, c. 51-57.
  • Медведев В.В., Латышев К.С. Разработать и создать пакет прикладных программ для исследования нестационарных процессов околоземной космической плазмы // Отчет о научно-исследовательской работе по теме № 215. Индекс УДК 550.388 № Гос. регистрации 81088477. Инв. № 0283.0027575. Калининград. 1982, с. 1-50.
  • Ишанов С.А., Медведев В.В., Латышев К.С. Численное моделирование ионосферно-термосферных процессов // Математическое моделирование в естествознании и технологии. Всесоюзная школа-семинар. Калининград. КГУ. 1988, с. 48.
  • атышев К.С., Медведев В.В., Белякова О.В. О свойствах некоторых разностных схем в задачах моделирования ионосферы // Труды ААНИИ.412. Геофизические исследования в высоких широтах. Ленинград. 1988, с. 40-63.
  • Медведев В.В., Зинин Л.В., Коняхина Л.В., Соколова Г.С., Юшкевич О.Г. Пакет прикладных программ Армиз Функциональное наполнение // Программное обеспечение геофизических исследований. Межведомственный геофизический комитет АН СССР. Вып. 8. 1989, с. 8-10.
  • Медведев В.В., Зинин Л.В., Коняхина Л.В., Соколова Г.С. Пакет прикладных программ Армиз Функциональное наполнение // Материалы мирового центра данных Б. Программное обеспечение геофизических исследований. М.: МГК АП СССР. 1989. Вып. 8, с. 11-20.
  • Медведев В.В., Латышев К.С., Коняхина Л.В. Описание модели DEF // Программное обеспечение геофизических исследований // Материалы мирового центра данных, Б. М.1989. Вып.8, c. 20-41.
  • Медведев В.В., Коняхина Л.В., Латышев К.С., Зинин Л.В., Соколова Г.С., Юшкевич О.Г. Программное обеспечение геофизических исследований // Материалы мирового центра данных. Б., 1994, с. 1-8.
  • Власов М.Н., Ишанов С.А., Медведев В.В. Моделирование эффектов антропогенных воздействий в сопряженных областях ионосферы и термосферы // Космические исследования, 1994, т. 32, № 1, с. 154-158.
  • Медведев В.В., Латышев К.С. Математическое моделирование азотных компонент и ионного состава верхней атмосферы Земли // Модели в природопользовании. Межвузовский сб. научн. тр. Калининград, 1997, с. 54-57.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Моделирование электронных и ионных температур при антропогенных воздействиях на ионосферу // Проблемы математических и физических наук. КГУ, 2002, с. 3-6.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Математическое моделирование антропогенных воздействий на ионосферу Земли // Доклады международного математического семинара, посвященного 140-летию Д. Гильберта и 25-летию математического факультета КГУ, КГУ, 2002, с. 307-310.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Латышев К.С., Зенкин В.И. Моделирование метастабильных компонентов в термосфере // Доклады международного математического семинара, посвященного 140-летию Д. Гильберта и 25-летию математического факультета КГУ, КГУ, 2002, с. 311-315.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Зенкин В.И. Влияние колебательно возбуждённого азота на рекомбинацию в ионосферной плазме // Геомагнетизм и аэрономия, 2003, т. 43, № 2, с. 248-255.
  • Medvedev V.V. Analitical Model of the Ionosphere D-Region // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations, Mosсow, 2003, p. 110.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zinin L.V. Mathematical Modeling of pO Molecules Injection into the F2-Region EarthТs Ionosphere // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations, Moscow, 2003, p. 111.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Latishev K.S. Metastable Components in the Ionosphere // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations, Moscow, 2003, p.111.
  • Медведев В.В. Компьютерное моделирование D-области ионосферы // Вестник КГУ. Вып. 3. Информатика и телекоммуникации. Из-во КГУ, 2003, с. 68-71.
  • Медведев В.В., Зенкин В.И. Модель возбуждённых компонентов термосферы // Мат. моделирование и численные методы решения интегродифференцируемых уравнений. Сб. науч. трудов. КГТУ, 2003, с. 66-68.
  • Медведев В.В., Зенкин В.И. Математическое моделирование ионосферных возмущений // Мат. моделирование и численные методы решения интегродифференцируемых уравнений. Сб. науч.трудов, КГТУ, 2003, с. 69-71.
  • Медведев В.В., Зенкин В.И. Численные методы решения уравнения диффузий // Мат. моделирование и численные методы решения интегродифференцируемых уравнений. Сб. науч. Трудов, КГТУ, 2003, с. 72-78.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zinin L.V. Mathematical Modeling of pO Molecules Injection into the F2-Region EarthТs Ionosphere // Auroral phenomena and Solar-Terrestrial Relations Cawses Handbook-I Boulder, 2004, p. 450-457.
  • Medvedev V.V., Novikova E.P. The Model of [NO] and T in the EarthТs Methosphere // Kaliningrad State University, 2004, р. 50.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Novikova E.P. Mathematical Modeling of Metastable Components in the Upper Atmosphere // Kaliningrad State University, 2004, р. 50.
  • V.Medvedev, E. Novikova. Analytical model of [NO], Ne and Tn in the D-region of the Ionosphere. // Physics of Auroral Phenomens, Proc. XXVII Annular Seminar, Apatity. 2004, p. 109-111.
  • Medvedev V.V. Mathematical modeling for the processes mesosphere, thermosphere and ionosphere // Избранные вопросы современной математики. Калининград, КГУ, 2005, с.175.
  • Medvedev V.V. Numerical model of Earth upper atmosphere // Избранные вопросы современной математики. Калининград, КГУ, 2005, с. 176.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А. Математическое моделирование метастабильных компонентов в ионосфере Земли // Инженерно-физический журнал, 2005, т. 78. № 6, с. 26-33.
  • Медведев В.В., Ишанов С.А., Леванов Е.И. Вычислительный эксперимент расчёта параметров ионосферной плазмы при астрономическом воздействии. Сеточные методы для краевых задач и приложения // Материалы Всероссийского семинара. Казань, 2005, с. 122-125.
  • Медведев В.В. Об одной консервативной разностной схеме. // Материалы Всероссийского семинара. Казань, 2005, с. 173-174.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zalesskaya V.A. Problems of Geocosmos // Proceedings of the 6th International Conference, St. Petersburg, 2006, р. 66-69.
  • Medvedev V.V., Zharkova Y.S.а Dynamical and photochemical heating and cooling algorithm used in a dynamical model of the upper atmosphere Earth // 6th International conference Problems of Geocosmos St-Petersburg. 2006, p. 244-245.
  • Ишанов С.А., Леванов Е.И., Медведев В.В., Залесcкая В.А. Магнитосферно-ионосферные изменения, вызванные полетами космических аппаратов // Инженерно-физический журнал. Минск Беларусь. 2006 г., т. 79, № 4, с. 11-15.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zalesskaya V.A. The magnetospheric-ionospheric disturbances caused of the rocket injection // 6th International conference Problems of Geocosmos Saint-Petersburg, 2006, p. 70-72.
  • Medvedev V.V., Ishanov S.A., Zalesskaya V.A. Mathematical modeling of the ionosphere-magnetosphere processes // Computational methods in applied mathematics. Minsk, Belarus, 2007, p. 25-30.
  • аИшанов С.А., Леванов Е.И., Медведев В.В., Залесская В.А., Новикова К.И. Использование математических моделей ионосферы для изучения распространения электромагнитных волн // Инженерно-физический журнал, 2008, т. 81, № 6, с. 1198-1202.
  • Ishanov S.A., Levanov E.I., Medvedev V.V., Zalesskaya V.A. and Novikova K.I. Use of mathematical models of the electromagnetic waves // Journal of Engineering Physics and Termophysics. 2008, V. 81, N 6, p.1242-1246.
  • Медведев В.В., Новикова К.И., Пялов Д.И. Математическое моделирование физико-химических процессов мезо-термосферы и ионосферы. Современные проблемы вычислительной математики и математической физики: Международная конференция, Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова: Тезисы докладов. - М.: Издательский отдел факультета ВКМ МГУ им. М.В. Ломоносова; Макс-Пресс, 2009, с. 396.
  • Medvedev V.V., Pyalov D.I., Zamyatina O.V. Mathematical Model for the Processes Ionosphere and Upper Atmosphere. AIS-2010: Atmosphere, ionosphere, safety: book of Abstracts; Supported by Russian Foundation of Basic Research. Kaliningrad, 2010, р. 225-226.
  • Medvedev V.V., Zamyatina O.V. Mathematical modeling for the processes mesosphere, thermosphere and ionosphere // Physics of Auroral Phenomena 34th Annual Seminar Polar Geophysical Institute. Apatity, 2011, р. 49.

Медведев Владимир Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

МЕЗОСФЕРЫ, ТЕРМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
 Страницы: | 1 | 2 | 3 |
     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по математике

Copyright © 2023. All rights Reserved.