СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ВОЛНООБРАЗНЫЕ ДВИЖЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
1.1. Акустико-гравитационные волны в земной атмосфере 20
1.2. Механизмы генерации акустико-гравитационных волн 27
1.3. Ионосферные волновые возмущения, генерированные мощными источниками 31
ГЛАВА II. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ
2.1. Уравнения геофизической гидродинамики, описывающие 46 распространения волн в атмосфере
2.2. Разработка численного алгоритма для решения уравнений 52
2.3. Моделирование ионосферных возмущений, генерированных 62 прохождением атмосферных волн
2.4. Краткое содержание главы. Основные выводы 66
ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ И ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ НАЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ
3.1. Включение наземных импульсных источников в модель 67
3.2. Генерация и распространение акустико-гравитационных волн, 69 вызванных наземными импульсными источниками
3.3. Моделирование возмущений ионосферы наземными импульсными источниками, и сравнение результатов с данными наблюдений
3.4. Отклик атмосферы и ионосферы на длиннопериодные наземные 86 источники
3.5. Трехмерное моделирование 95
3.6. Краткое содержание главы. Основные выводы 99
ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ И ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПРИ ЗАПУСКАХ РАКЕТ
4.1. Ударные волны, генерируемые при запусках ракет 100
4.2. Генерация и распространение акустико-гравитационных волн 101 при сверхзвуковых полетах ракет
4.3. Моделирование возмущений ионосферы, вызванных запусками 108 ракет и сравнение результатов с данными наблюдений
4.4. Краткое содержание главы. Основные выводы 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 120
Актуальность. В конце XIX века ученые начали обращать внимание на то, что сила тяжести и стратификация геофизических сред сильно модифицируют распространяющиеся в них звуковые волны. С тех пор начались первые теоретические исследования свойств распространения АГВ в атмосфере. Наряду с этим, с развитием радиотехнических средств, в середине XX столетия начались наблюдения ПИВ. Впервые в 1960м году ПИВ были интерпретированы как проявления АГВ в ионосфере. С тех пор с помощью различных методов ведутся интенсивные наблюдения АГВ в нижней и верхней атмосфере. В 90-х годах, с развитием дистанционных методов зондирования ионосферы с помощью спутников, начался новый «бум» в области исследования ионосферных возмущений. Радио- томографические методы позволили получить двумерные сечения ПИВ. Существующие радиотомографические системы и сеть приемников GPS/ГЛОНАСС дают возможность исследовать данное явление непрерывно в широких временных и пространственных масштабах. В течение почти 50 лет был накоплен огромный экспериментальный материал об ионосферных возмущениях, вызванных источниками разной природы. Среди таких источников особую роль играют сильные землетрясения, ядерные испытания, промышленные взрывы, сверхзвуковые полеты ракет и т.д.
Исследование отклика ионосферы на такие антропогенные и природные источники имеет большое значение для физики атмосферы, так как это позволяет подробно изучить различные физические процессы, происходящие в атмосфере. Земная атмосфера является уникальной лабораторией для изучения многих сложных физических процессов, таких как генерация и распространение крупномасштабных волн, УВ, возникновение неустойчивых образований в ионосферной плазме и т.д. Изучение данной проблемы актуально в связи с необходимостью обоснования надежных сигнальных
5
признаков техногенных воздействий (запуски ракет, несанкционированные взрывы и подземные ядерные испытания). Кроме того, результаты этих работ могут быть использованы для идентификации откликов от цунами и предвестников землетрясений в ионосфере.
Несмотря на огромное количество экспериментальных данных, лишь в относительно небольшом количестве работ были сделаны попытки с теоретических позиций объяснить наблюдаемые возмущения в атмосфере и ионосфере от наземных и атмосферных источников. Следует отметить, что работы в данном направлении сыграли существенную роль в понимании механизма связей в системе литосфера - атмосфера - ионосфера. Эти исследования внесли большой вклад в развитие теории распространения АГВ в атмосфере и т. д. Несмотря на это, до настоящего времени отсутствует полная интерпретация данных наблюдений. Как правило, в предшествующих теоретических работах АВ, ВГВ, нелинейность среды, влияние вязкости, стратификации и зонального ветра на распространение волн рассматривались обособленно друг от друга. В результате этого, ни одна из существующих моделей не может объяснить весь спектр атмосферных и ионосферных возмущений, возбуждаемых источниками разной природы. Что касается моделирования атмосферных волновых возмущений, генерированных во время сверхзвукового движения ракет, то эта задача интересна еще и тем, что здесь мощный источник возбуждения находится прямо в верхней атмосфере.
В последнее десятилетие в связи с увеличением быстродействия компьютеров и развитием вычислительной гидродинамики зародилось новое направление в физике атмосферы - исследование распространения атмосферных волн с помощью численного решения нелинейных уравнений геофизической гидродинамики. Применение таких численных методов позволяет учесть совместно все факторы, влияющие на распространения АГВ с конечной амплитудой в реальной диссипативной среде.
6
Цели работы:
• Разработка численного метода для моделирования распространения АГВ с конечной амплитудой на большие горизонтальные и вертикальные расстояния;
• Моделирование генерации АГВ и волнообразных ионосферных возмущений от разного типа источников: наземных импульсных и длиннопериодных источников, сверхзвуковых полетов ракет;
• Сопоставление результатов моделирования с данными наблюдений.
Новизна результатов:
• Предложена система уравнений геофизической гидродинамики и граничные условия, позволяющие провести численное моделирование генерации и распространения АГВ от источников разной природы;
• Разработан численный алгоритм для решения системы уравнений вместе с соответствующими начальными и граничными условиями с помощью конечно-разностного метода;
• Промоделирована генерация волн от разного типа источников: сильных землетрясений, подземных ядерных взрывов, поверхностных волн Рэлея, длиннопериодных наземных источников, сверхзвуковых движений ракетоносителей;
• Впервые с помощью конечно-разностного метода были получены вместе две ветви спектра акустико-гравитационных волн - акустические волны и внутренние гравитационные волны;
• Впервые были построены кривые чувствительности (отклика) нейтральной атмосферы на воздействие поверхностных источников с разными периодами;
• Впервые были промоделированы волнообразные вариации электронной плотности в ионосфере с учетом геомагнитного поля на больших
7
временных и пространственных масштабах, генерированные вышеуказанными источниками;
• Впервые с помощью разработанной модели были интерпретированы возмущения полного электронного содержания в ионосфере по разным направлениям лучей, связывающих спутники и приемники.
В данной диссертационной работе была разработана численная модель распространения АГВ в двумерной и трехмерной сжимаемой атмосфере, учитывающая стратификацию атмосферы, зональный ветер, диссипативные эффекты и нелинейность. Тестирование численного метода для разных случаев показало, что разработанная модель правильно описывает распространения волн в атмосфере, нелинейные эффекты и т.д. На основе двумерной модели была промоделирована генерация АГВ от разного вида источников - крупные землетрясения, подземные ядерные взрывы, волны Рэлея, генерированные во время землетрясений, длиннопериодные колебания земной и морской поверхности, сверхзвуковой полет ракет. Были вычислены временные и пространственные распределения возмущений электронной плотности в ионосфере, генерированные во время распространения АГВ от вышеперечисленных источников. Рассчитаны интегральные вариации электронной концентрации в разных направлениях луча спутник-приемник для сопоставления с экспериментальными данными.
Результаты показывают, что разработанная численная модель достаточно хорошо и подробно предсказывает свойства АГВ и волнообразные возмущения в ионосфере, генерированные рассматриваемыми источниками. Анализ полученных результатов демонстрирует, что по качественным свойствам откликов наземные источники в основном делятся на три типа. Первые - это сильные импульсные источники, такие как землетрясения и взрывы, которые возбуждают в атмосфере широкий спектр АГВ. При этом по интенсивности высокочастотные возмущения преобладают над низкочастотными. Вторые - это волны Рэлея, которые особенны тем, что они распространяются со сверхзвуковой скоростью по поверхности земли после землетрясений. На такой источник отклик атмосферы в основном состоит из инфразвукового
117
возмущения. Генерированные ПИВ распространяются со сверхзвуковой горизонтальной фазовой скоростью в ионосфере. Третий тип источников - длиннопериодные колебания земной поверхности. Такие источники также возбуждают АГВ в атмосфере. Отклик атмосферы в этом случае в основном принадлежит к ВГВ, которые очень сильно себя проявляют на больших горизонтальных расстояниях от источника.
Условия в нейтральной атмосфере и ионосфере также влияют на свойства отклика от наземных источников. В зависимости от времени года и направления зонального ветра меняются характеристики генерированных АГВ. Но сильнее всего на формирование картины ионосфеных возмущений влияет магнитное поле Земли. В зависимости от направления силовых линий геомагнитного поля, пространственное распределение ионосферных неоднородностей может усиливаться или подавляться. Если учесть, что ионное торможение, которое сильно влияет на движения нейтралов в ВА, зависит от ориентации магнитного поля, тогда становится ясным, что параметры АГВ на больших высотах также могут меняться в зависимости от направления магнитного поля.
Моделирование генерации атмосферных волн от сверхзвукового полета ракет показывает, что в этом случае генерируется АВ, ВГВ и захваченные АГВ в верхних волноводах атмосферы. В отличие от наземных источников, атмосферные источники, типа звукового цилиндра, образованного сверхзвуковым полетом ракеты, возбуждают более крупномасштабные ПИВ в ионосферной плазме. Главное отличие атмосферных источников от наземных состоит в том, что первые очень сильно возбуждают верхние волноводы атмосферы. В этом случае могут распространяться интенсивные ВГВ с большими скоростями, чего нельзя сказать о наземных источниках.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
