У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ
Заказать диплом, курсовую, диссертацию


Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Понравилось
Не понравилось





Книга жалоб
и предложений

 





Название ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИКО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН И ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ НАЗЕМНЫХ И АТМОСФЕРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Количество страниц 120
ВУЗ МГИУ
Год сдачи 2010
Бесплатно Скачать 23256.doc 
Содержание Содержание
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 импуль- 79

сными 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

Введение
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. Радиотомографические 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
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 c 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.
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
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.

Научная и практическая ценность работы. Используя разработанную численную модель, можно исследовать свойства АГВ, генерированных источниками разных видов, такими как движение солнечного терминатора, экваториальные и полярные токовые системы, тропические циклоны и т.д. Полученные численные результаты могут быть использованы для выделения и идентификации отклика в ионосфере от слабых длиннопериодных колебаний земной поверхности, наблюдаемых в некоторых случаях перед землетрясениями, зарегистрировать которые крайне трудно традиционными сейсмическими методами. Развитая модель позволяет исследовать нелинейный режим распространения АГВ и распространение слабых ударных волн в атмосфере. Результаты работы могут быть использованы в будущем для разработки и постановки экспериментов по наблюдению атмосферных и ионосферных возмущений, генерированных источниками разной природы. Полученные графические и мультимедийные материалы могут применяться в учебных курсах как наглядное пособие для изучения свойств АГВ в атмосфере.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на XII Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (Москва, 2001), XX Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002), на V сессии Байкальской молодежной школе по фундаментальной физике (Иркутск, 2002), Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях»
(Санкт-Петербург, 2003), Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза (Nice, 2003), LVIII Научной Сессии НТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, 2003), международной конференции и школе для молодых ученых «Вычислительно-информационные технологии для наук об окружающей среде» (Томск, 2003). По теме диссертации опубликовано 12 работ в отечественных и зарубежных изданиях.

Защищаемые положения.

1. Система нелинейных уравнений гидродинамики и соответствующие граничные условия, позволяющие описывать распространение интенсивных АГВ в двумерной и трехмерной сжимаемой плоскопараллельной атмосфере, с учетом реальной стратификации и зонального ветра. Граничные условия позволяют включить наземные источники с разными характеристиками и цилиндрический звуковой источник, возникающий во время сверхзвукового полета ракет.

2.Численный метод для решения соответствующей системы уравнений геофизической гидродинамики.

3.Результаты моделирования пространственных и временных распределений возмущений плотности и температуры нейтральной атмосферы, скорости гидродинамических частиц, плотности волновой энергии АГВ, генерированных наземными и атмосферными источниками.

4.Результаты моделирования пространственных и временных распределений возмущений электронной концентрации в ионосферной плазме, генерированных наземными и атмосферными источниками при разных моделях нейтральной атмосферы и ориентации магнитного поля.

5.Результаты моделирования вариаций полного электронного содержания в разных направлениях в возмущенной ионосфере, для разного рода источников.
6.Кривые чувствительности (отклика) нейтральной атмосферы на наземные

источники с разными периодами. 7. Результаты трехмерного моделирования возмущений нейтральной

атмосферы от наземных источников.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит __

страниц текста, ___ рисунков.

Краткое содержание работы.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованиям АГВ в атмосфере и ионосфере. Глава состоит из трех параграфов.

Первый параграф посвящен общим свойствам распространения АГВ в атмосфере. Приводятся основные спектральные характеристики АВ и ВГВ, захваченных АГВ, механизмы диссипации волн и т.д. Более энергетическая часть этих волн - ВГВ играет большую роль в циркуляции атмосферы, и их параметризация имеет важное значение в мезомасштабных и глобальных моделях атмосферы. Кроме того, ВГВ являются одним из основных механизмов передачи энергии из нижних слоев атмосферы в термосферу.

Второй параграф посвящен механизмам генерации АГВ. Источники генерации могут быть антропогенными или природными. Характеристики АГВ зависят также от свойств источников. Такие источники, как конвективная неустойчивость, сдвиговая неустойчивость, орография, погодные фронты и т.д. постоянно генерируют ВГВ в нижней атмосфере. Импульсные источники, такие как сильные землетрясения, мощные взрывы, запуски ракет и т.д. способны генерировать широкий спектр волн - от высокочастотных инфразвуковых до длиннопериодных ВГВ, которые распространяются на тысячи километров без заметного затухания.
В третьем параграфе дан обзор основных экспериментальных работ по изучению проявлений АГВ в ионосфере. Один из основных эффектов АГВ в ионосфере - это ПИВ и неустойчивые плазменные образования. С развитием средств наблюдения ионосферы стало возможным проведение непрерывного мониторинга ионосферных возмущений. Конкретный механизм формирования этих возмущений ясен не до конца.

Во второй главе рассмотрено построение численной модели. Глава разделена на 4 параграфа.

В первом параграфе представлена система уравнений геофизической гидродинамики для моделирования распространения АГВ в атмосфере. С этой целью рассмотрены уравнения гидродинамики в общей форме. С помощью известных математических преобразований можно получить систему уравнений гидродинамики в эйлеровой форме, удовлетворяющую требованиям нашей задачи. Таким образом, после задания параметров атмосферы и соответствующих начальных и граничных условий можно решать систему уравнений.

Второй параграф посвящен разработке численного алгоритма для решения системы уравнений. При выборе численного метода мы учитывали следующие особенности данной задачи:

• Решение должно содержать медленные и быстрые волновые движения.

• Метод должен быть устойчивым к резким градиентам плотности атмосферы.

• Обеспечение устойчивости решения усложняется присутствием нелинейных компонент в уравнениях.

• Большой объем вычислений из-за размера области интегрирования и длительности времени распространения волн.

Учитывая все вышеперечисленное, после анализа и сопоставления разных методов был выбран явный конечно-разностный метод Flux Corrected Transport. В разработанном нами численном алгоритме используются
основные свойства этого метода. Суть метода состоит в том, что для обеспечения устойчивости решения на первом этапе вводится искусcтвенная диффузия, а потом с помощью антидиффузии минимизируется численная диффузия. Так как все переменные в уравнениях могут быть как положительными так и отрицательными, мы не использовали ограничения на антидиффузионные слагаемые для обеспечения положительности. Таким образом, мы освобождаемся от таких проблем, как синхронизация потоков и обеспечения положительности решения, требующие дополнительные вычислительные затраты. Для обеспечения устойчивости и высокой точности мы аппроксимировали конвективные, адвекционные и нелинейные слагаемые в системе уравнений особыми методами. Для решения двумерной и трехмерной задачи использовался метод расщепления шага по времени для координатных направлений. Граничные условия состоят из двух частей: первая часть обеспечивает вход возмущения от источника в данную модель, вторая часть - уход волны из расчетной области. Начальные условия предполагались нулевыми.

В третьем параграфе приведен вывод формулы для вычисления изменения электронной концентрации в плоскопараллельной ионосфере, вследствие столкновений с нейтральными частицами во время прохождения АГВ. Эта формула получена из уравнении неразрывности для заряженных частиц. В конкретных расчетах использовался профиль фоновой ионосферы, состоящий из двух параболических слоев - E и F (с максимумом на 300 км). Для наблюдения за состоянием ионосферы имеет очень большое значение определение изменения ПЭС в разных направлениях, т.е. между приемником и ИСЗ. В четвертом параграф
Список литературы
Цена, в рублях:

(при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)		 1425
Скачать бесплатно 23256.doc 





Найти готовую работу


ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:


Связаться

Доставка любой диссертации из России и Украины

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ


Ссылки:

Выполнение и продажа диссертаций, бесплатный каталог статей и авторефератов

Счетчики:

Besucherzahler
счетчик посещений

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.