Новенькі? Зареєструватися

Ахмедов Раван Рамин оглы. Численное моделирование генерации акустико-гравитационных волн и ионосферных возмущений от наземных и атмосферных источников: дис... канд. физ.-мат. наук: 25.00.29 / Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции, ордена Трудового красного знамени Государственный университет им. М.В. Ломоносова. - М., 2004

тема: ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГЕНЕРАЦІЇ АКУСТИКО-ГРАВІТАЦІЙНИХ ХВИЛЬ І ІОНОСФЕРНИХ ЗБУРЕНЬ ВІД НАЗЕМНИХ І АТМОСФЕРНИХ ДЖЕРЕЛ
напрям: 01.04.06 - акустика
рік: 2004
мова: російська
формат: pdf
сторінок: 131
код: t010600001
ключові слова: акустико-гравитационная хвиля, гідродинаміка, атмосферна хвиля, іоносфера, імпульс
короткий опис:
Актуальність. У кінці XIX століття учені почали звертати увагу на те, що сила тяжіння і стратифікація геофізичних середовищ сильно модифікують звукові хвилі, що поширюються в них. Відтоді почалися перші теоретичні дослідження властивостей поширення АГВ в атмосфері. Разом з цим, з розвитком радіотехнічних засобів, в середині XX століття почалися спостереження ПИВ. Уперше в 1960м році ПИВ були інтерпретовані як прояви АГВ в іоносфері. Відтоді за допомогою різних методів ведуться інтенсивні спостереження АГВ в нижній і верхній атмосфері. У 90-х роках, з розвитком дистанційних методів зондування іоносфери за допомогою супутників, почався новий "бум" в області дослідження іоносферних обурень. Радіо-томографичні методи дозволили отримати двовимірні перерізи ПИВ. Існуючі системи радіотомографій і мережа приймачів GPS/ГЛОНАСС дають можливість досліджувати це явище безперервно в широких тимчасових і просторових масштабах. У течію майже 50 років був накопичений величезний експериментальний матеріал про іоносферні обурення, викликані джерелами різної природи. Серед таких джерел особливу роль грають сильні землетруси, ядерні випробування, промислові вибухи, надзвукові польоти ракет і так далі Дослідження відгуку іоносфери на такі антропогенні і природні джерела має велике значення для фізики атмосфери, оскільки це дозволяє детально вивчити різні фізичні процеси, що відбуваються в атмосфері. Земна атмосфера є унікальною лабораторією для вивчення багатьох складних фізичних процесів, таких як генерація і поширення великомасштабних хвиль, УВ, виникнення нестійких утворень в іоносферній плазмі і так далі Вивчення цієї проблеми актуальне у зв'язку з необхідністю обгрунтування надійних сигнальних ознак техногенних дій (запуски ракет, несанкціоновані вибухи і підземні ядерні випробування). Крім того, результати цих робіт можуть бути використані для ідентифікації відгуків від цунамі і передвісників землетрусів в іоносфері. Незважаючи на величезну кількість експериментальних даних, лише у відносно невеликій кількості робіт були зроблені спроби з теоретичних позицій пояснити спостережувані обурення в атмосфері і іоносфері від наземних і атмосферних джерел. Слід зазначити, що роботи в цьому напрямі зіграли істотну роль в розумінні механізму зв'язків в системі літосфера - атмосфера - іоносфера. Ці дослідження внесли великий внесок у розвиток теорії поширення АГВ в атмосфері і так далі Незважаючи на це, до теперішнього часу відсутня повна інтерпретація цих спостережень. Як правило, в попередніх теоретичних роботах АВ, ВГВ, нелінійність середовища, вплив в'язкості, стратифікації і зонального вітру на поширення хвиль розглядалися відособлено один від одного. В результаті цього, жодна з існуючих моделей не може пояснити увесь спектр атмосферних і іоносферних обурень, що збуджуються джерелами різної природи. Що стосується моделювання атмосферних хвилевих обурень, що генеруються під час надзвукового руху ракет, то це завдання цікаве ще і тим, що тут потужне джерело збудження знаходиться прямо у верхній атмосфері. У останнє десятиліття в зв'язку c збільшенням швидкодії комп'ютерів і розвитком обчислювальної гідродинаміки зародився новий напрям у фізиці атмосфери - дослідження поширення атмосферних хвиль за допомогою чисельного рішення нелінійних рівнянь геофизичної гідродинаміки. Застосування таких чисельних методів дозволяє врахувати спільно усі чинники, що впливають на поширення АГВ з кінцевою амплітудою в реальному диссипативному середовищі. Цілі роботи : - Розробка чисельного методу для моделювання поширення АГВ з кінцевою амплітудою на великі горизонтальні і вертикальні відстані; - Моделювання генерації АГВ і хвилеподібних іоносферних обурень від різного типу джерел : наземних імпульсних і длиннопериодных джерел, надзвукових польотів ракет; - Зіставлення результатів моделювання з даними спостережень. Новизна результатів : - Запропонована система рівнянь геофизичної гідродинаміки і граничні умови, генерації, що дозволяють провести чисельне моделювання, і поширення АГВ від джерел різної природи; - Розроблений чисельний алгоритм для вирішення системи рівнянь разом з відповідними початковими і граничними умовами за допомогою кінечно-різницевого методу; - Промоделирована генерація хвиль від різного типу джерел : сильних землетрусів, підземних ядерних вибухів, поверхневих хвиль Релея, довгоперіодних наземних джерел, надзвукових рухів ракетоносіїв; - Уперше за допомогою кінечно-різницевого методу були отримані разом дві гілки спектру акустико-гравитаційних хвиль - акустичні хвилі і внутрішні гравітаційні хвилі; - Уперше були побудовані криві чутливості (відгуку) нейтральної атмосфери на дію поверхневих джерел з різними періодами; - Уперше були промоделировані хвилеподібні варіації електронної щільності в іоносфері з урахуванням геомагнітного поля на великих тимчасових і просторових масштабах, що генеруються вищезгаданими джерелами; - Уперше за допомогою розробленої моделі були інтерпретовані обурення повного електронного змісту в іоносфері по різних напрямах променів, що зв'язують супутники і приймачі. Наукова і практична цінність роботи. Використовуючи розроблену чисельну модель, можна досліджувати властивості АГВ, різних видів, що генеруються джерелами, такими як рух сонячного термінатора, екваторіальні і полярні струмові системи, тропічні циклони і так далі Отримані чисельні результати можуть бути використані для виділення і ідентифікації відгуку в іоносфері від слабких длиннопериодных коливань земної поверхні, спостережуваних в деяких випадках перед землетрусами, зареєструвати які украй важко традиційними сейсмічними методами. Розвинена модель дозволяє досліджувати нелінійний режим поширення АГВ і поширення слабких ударних хвиль в атмосфері. Результати роботи можуть бути використані в майбутньому для розробки і постановки експериментів по спостереженню атмосферних і іоносферних обурень, що генеруються джерелами різної природи. Отримані графічні і мультимедійні матеріали можуть застосовуватися в учбових курсах як наочний посібник для вивчення властивостей АГВ в атмосфері. Апробація роботи і публікації. Результати роботи докладалися на XII Всеросійській школі-конференції з дифракції і поширення хвиль (Москва, 2001), XX Всеросійської наукової конференції з поширення радіохвиль (Нижній Новгород, 2002), на V сесії Байкальській молодіжній школі по фундаментальній фізиці (Іркутськ, 2002), Міжнародній конференції "Потоки і структури в рідинах" (Санкт-Петербург, 2003), Генеральній Асамблеї Європейського Геофізичного Союзу (Nice, 2003), LVIII Наукової Сесії НТОРЭС ім. А.С. Попова (Москва, 2003), міжнародній конференції і школі для молодих учених "Обчислювально-інформаційні технології для наук про довкілля" (Томськ, 2003). По темі дисертації опубліковані 12 робіт у вітчизняних і зарубіжних виданнях. Положення, що захищаються. 1. Система нелінійних рівнянь гідродинаміки і відповідні граничні умови, що дозволяють описувати поширення інтенсивних АГВ в двовимірній і тривимірній плоскопаралельній атмосфері, що стискається, з урахуванням реальної стратифікації і зонального вітру. Граничні умови дозволяють включити наземні джерела з різними характеристиками і циліндричне звукове джерело, що виникає під час надзвукового польоту ракет. 2. Чисельний метод для вирішення відповідної системи рівнянь геофизичної гідродинаміки. 3. Результати моделювання просторових і тимчасових розподілів обурень щільності і температури нейтральної атмосфери, швидкості гідродинамічних часток, щільність хвилевої енергії АГВ, що генеруються наземними і атмосферними джерелами. 4. Результати моделювання просторових і тимчасових розподілів обурень електронної концентрації в іоносферній плазмі, що генеруються наземними і атмосферними джерелами при різних моделях нейтральної атмосфери і орієнтації магнітного поля. 5. Результати моделювання варіацій повного електронного змісту у різних напрямах в обуреній іоносфері, для різного роду джерел. 6. Криві чутливості (відгуку) нейтральної атмосфери на наземні джерела з різними періодами. 7. Результати тривимірного моделювання обурень нейтральної атмосфери від наземних джерел. Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох глав, укладення і списку цитованої літератури. Короткий зміст роботи. У першій главі представлений огляд теоретичних і експериментальних робіт по дослідженнях АГВ в атмосфері і іоносфері. Глава складається з трьох параграфів. Перший параграф присвячений загальним властивостям поширення АГВ в атмосфері. Наводяться основні спектральні характеристики АВ і ВГВ, захоплених АГВ, механізми дисипації хвиль і так далі. Більше енергетична частина цих хвиль - ВГВ грає велику роль в циркуляції атмосфери, і їх параметризація має важливе значення в мезомасштабних і глобальних моделях атмосфери. Крім того, ВГВ є одним з основних механізмів передачі енергії з нижніх шарів атмосфери в термосферу. Другий параграф присвячений механізмам генерації АГВ. Джерела генерації можуть бути антропогенними або природними. Характеристики АГВ залежать також від властивостей джерел. Такі джерела, як конвективна нестійкість, сдвигова нестійкість, орографія, погодні фронти і так далі постійно генерують ВГВ в нижній атмосфері. Імпульсні джерела, такі як сильні землетруси, потужні вибухи, запуски ракет і так далі здатні генерувати широкий спектр хвиль - від високочастотних інфразвукових до догоперіодних ВГВ, які поширюються на тисячі кілометрів без помітного загасання. У третьому параграфі даний огляд основних експериментальних робіт по вивченню проявів АГВ в іоносфері. Один з основних ефектів АГВ в іоносфері - це ПИВ і нестійкі плазмові утворення. З розвитком засобів спостереження іоносфери стало можливим проведення безперервного моніторингу іоносферних обурень. Конкретний механізм формування цих обурень ясний не до кінця. У другій главі розглянута побудова чисельної моделі. Глава розділена на 4 параграфи. У першому параграфі представлена система рівнянь геофизичної гідродинаміки для моделювання поширення АГВ в атмосфері. З цією метою розглянуті рівняння гідродинаміки в загальній формі. За допомогою відомих математичних перетворень можна отримати систему рівнянь гідродинаміки в ейлерової формі, що задовольняє вимогам нашого завдання. Таким чином, після завдання параметрів атмосфери і відповідних початкових і граничних умов можна вирішувати систему рівнянь. Другий параграф присвячений розробці чисельного алгоритму для вирішення системи рівнянь. При виборі чисельного методу ми враховували наступні особливості цього завдання : Рішення повинне містити повільні і швидкі хвилеві рухи. Метод має бути стійким до різких градієнтів щільності атмосфери. Забезпечення стійкості рішення ускладнюється присутністю нелінійних компонент в рівняннях. Великий об'єм обчислень із-за розміру області інтеграції і тривалості часу поширення хвиль. Враховуючи усе вищеперелічене, після аналізу і зіставлення різних методів був вибраний явний кінечно-різницевий метод Flux Corrected Transport. У розробленому нами чисельному алгоритмі використовуються основні властивості цього методу. Суть методу полягає в тому, що для забезпечення стійкості рішення на першому етапі вводиться штучна дифузія, а потім за допомогою антидифузії мінімізується чисельна дифузія. Оскільки усі змінні в рівняннях можуть бути як позитивними так і негативними, ми не використали обмеження на антидифузійні доданки для забезпечення позитивності. Таким чином, ми звільняємося від таких проблем, як синхронізація потоків і забезпечення позитивності рішення, що вимагають додаткові обчислювальні витрати. Для забезпечення стійкості і високої точності ми апроксимували конвективні, адвекціонні і нелінійні доданки в системі рівнянь особливими методами. Для вирішення двовимірного і тривимірного завдання використовувався метод розщеплювання кроку за часом для координатних напрямів. Граничні умови складаються з двох частин: перша частина забезпечує вхід обурення від джерела в цю модель, друга частина - відхід хвилі з розрахункової області. Початкові умови передбачалися нульовими. У третьому параграфі приведено виведення формули для обчислення зміни електронної концентрації в плоскопаралельній іоносфері, внаслідок зіткнень з нейтральними частками під час проходження АГВ. Ця формула отримана з рівнянні нерозривності для заряджених часток. У конкретних розрахунках використовувався профіль фонової іоносфери, що складається з двох параболічних шарів, - E і F (з максимумом на 300 км). Для спостереження за станом іоносфери має дуже велике значення визначення зміни ПЭС у різних напрямах, тобто У третій главі розглядаються включення наземних джерел в представлену модель, аналіз отриманих результатів для нейтральної атмосфери і іоносфери і зіставлення їх з експериментальними даними. Глава розділена на 6 параграфів. У першому параграфі приведена постановка завдання для моделювання літосферно-іоносферного зв'язку. Наземне імпульсне джерело розглядалося як поршнеобразний джерело, яке діє на атмосферу. Щоб включити це джерело в цю модель, необхідно задати швидкість руху часток повітря на висоті поверхні землі в околиці епіцентра джерела. Звідси витікає, що для вертикальної компоненти (горизонтальні переміщення не враховуються) швидкості гранична умова буде умовою зшивання над твердою поверхнею землі. При виборі значень цих параметрів, ми враховували ту обставину, що на практиці визначити точні значення параметрів імпульсу обурення не так просто, і вони залежать від конкретного випадку. Але оскільки нашою головною метою є вивчення загальних властивостей обурень від таких джерел, ми набували деяких наближених значень параметрів джерела. Що стосується наземних промислових вибухів, то їх можна враховувати в нашій моделі за допомогою завдання еквівалентного підземного джерела. У другому параграфі представлені основні результати, отримані при рішенні початкових рівнянь для наземного джерела з вищепереліченими параметрами. Таким чином, система рівнянь разом з початковими і граничними умовами вирішувалася за допомогою складеного нами пакету комп'ютерних програм. Параметри розрахункової сітки були вибрані наступні: крок по висоті 5 км, по горизонтальній координаті 10 км і 0.1 сік за часом. Розміри модельованої області складали 4000 км і 500 км по ширині і висоті, відповідно. Як відомо, стратифікація температури і зональний вітер впливають на поширення АГВ в атмосфері. Щоб відокремити ці впливи один від одного, ми поетапно розглядали різні варіанти моделі атмосфери в наших обчисленнях. Ізотермічний випадок цікавий тим, що він дозволяє порівняти результати моделювання з попередніми роботами в цій області. Як показує порівняння, період, фазова і групова швидкості, лінійне зростання періоду ВГВ і так далі отримані нами для ізотермічної і безвітряної атмосфери, підтверджуються результатами попередніх робіт. Крім того, як показують результати, ця модель добре описує такі нелінійні ефекти, як укручення профілю хвилі і так далі. Таким чином, тестування чисельної моделі показало, що вона має прийнятну точність. З отриманих результатів видно, що період ВГВ росте від 300 сік до 1200 сік лінійно у міру видалення від джерела в горизонтальному напрямі. Ця пов'язано з тим, що хвилі з великими періодами рухаються похило до вертикалі. Період акустичних хвиль близько 200 сек. Точка насичення, тобто висота максимальної амплітуди АГВ знаходиться на висоті близько 200-250 км. Вертикальна швидкість, обурення щільності, тиски і температури в хвилі, також показують подібну залежність. Для АВ вертикальна швидкість, а для ВГВ горизонтальна швидкість грають домінуючу роль. У третьому параграфі приведені результати обчислень іоносферних обурень, викликаних наземними імпульсними джерелами. Тут представлені просторові розподіли варіації електронної щільності в іоносфері через деякий час після землетрусу або вибуху. Після поштовху в течії 15 мін обурення доходить до верхньої атмосфери. Облік зонального вітру порушує симетрію відгуку атмосфери і іоносфери. Тут спостерігаються середньомасштабні ПИВ з довжинами хвиль близько 100 км, що поширюються від джерела з горизонтальною фазовою швидкістю близько 300 м/с. Проведені дослідження показали сильну якісну і кількісну модифікацію іоносферного відгуку при зміні орієнтації геомагнітного поля. Коли магнітне поле має помітну вертикальну компоненту, виходить зовсім інша картина. Ці результати можуть бути також застосовані до інтерпретації атмосферних обурень викликаних наземними вибухами. Що стосується даних, отриманих при трансионосферному зондуванні верхньої атмосфери сигналами супутникової радіонавігаційної системи GPS, то аналіз отриманих результатів показує, що характеристики цих сигналів сильно залежать від місцерозташування приймача, кута місця супутника і так далі. Як показують наші результати, діапазон частот цих обурень може бути дуже широким. Аналізуючи результати, ми побачимо, що цей графік якісно добре описує високочастотні (період
  • зміст роботи
  • скачати
  • переглянути
  • замовити
  • відгуки
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ
ВСТУП

ГЛАВА I. ХВИЛЕПОДІБНІ РУХИ В АТМОСФЕРІ І ІОНОСФЕРІ ЗЕМЛІ
1.1. Акустико-гравітаційні хвилі в земній атмосфері
1.2. Механізми генерації акустико- гравітаційних хвиль
1.3. Іоносферні хвилеві обурення, що генеруються потужними джерелами
ГЛАВА II. ПОБУДОВА МОДЕЛІ І РОЗРОБКА МЕТОДУ РІШЕННЯ РІВНЯНЬ
2.1. Рівняння геофизичної гідродинаміки, поширення хвиль, що описують, в атмосфері
2.2. Розробка чисельного алгоритму для вирішення рівнянь
2.3. Моделювання іоносферних обурень, що генеруються проходженням атмосферних хвиль
2.4. Короткий зміст глави. Головні висновки

ГЛАВА III. МОДЕЛЮВАННЯ АТМОСФЕРНИХ І ІОНОСФЕРНИХ ЗБУРЕНЬ ВІД НАЗЕМНИХ ДЖЕРЕЛ
3.1. Включення наземних імпульсних джерел в модель
3.2. Генерація і поширення акустико- гравітаційних хвиль, викликаних наземними імпульсними джерелами
3.3. Моделювання обурень іоносфери наземними імпульсними джерелами, і порівняння результатів з даними спостережень
3.4. Відгук атмосфери і іоносфери на довгоперіодні наземні джерела
3.5. Тривимірне моделювання
3.6. Короткий зміст глави. Головні висновки

ГЛАВА IV. МОДЕЛЮВАННЯ АТМОСФЕРНИХ І ІОНОСФЕРНИХ ЗБУРЕНЬ ПРИ ЗАПУСКАХ РАКЕТ
4.1. Ударні хвилі, генеровані при запусках ракет
4.2. Генерація і поширення акустико-гравітаційних хвиль при надзвукових польотах ракет
4.3. Моделювання обурень іоносфери, викликаних запусками ракет і порівняння результатів з даними спостережень
4.4. Короткий зміст глави. Головні висновки

ВИСНОВОК
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
цінаскачати
РОБОТА ПОВНІСТЮ 1.5 у.о.
Сторінки для вільного читання відсутні

Відгуки відсутні.

Відгуки можуть залишати лише зареєстровані користувачі порталу.

Представтесь:

e-mail:

телефон:

додаткова інформація:

ПРИМІТКА: У разі виникнення складнощів при скачуванні матеріалу по одному із посилань, просимо повідомити нас у формі зворотного зв'язку або ж на e-mail: vse.zakaz@gmail.com вказавши КОД роботи.
© 2011-2019
Усі права застережені
ФІЗИКА: готові роботи книги | про проект ЧаПи зворотній зв’язок