СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................. 4
Глава 1. Современное состояние численного моделирования процессов в верхней атмосфере (Обзор)............................................. 10
1.1. Ионосферные модели................................................. 10
1.2. Ионосферно-тсрмосферные модели.................................... 13
1.3. Модели ЫСАЯ........................................................ 15
Глава 2. Глобальная численная модель верхней атмосферы Земли КО ИЗМИРАН............................................................... 18
2.1. Структура модели................................................... 18
2.2. Моделирующие уравнения............................................. 19
2.2.1. Блок нейтральной атмосферы и нижней ионосферы............... 19
2.2.1.1. Нейтральная атмосфера...................................... 19
2.2.1.2. Нижняя ионосфера (О, Е и Г1 области ионосферы)............. 21
2.2.2. Блок ионосферной Г2-области и лротоносферы..................... 22
2.2.3. Блок расчета электрического поля............................... 24
2.3. Входные параметры модели........................................... 24
2.4. Численные сетки.................................................... 25
Глава 3. Реконструкция глобальной численной модели верхней агмосфсры Земли................................................................. 27
3.1. Данные модели...................................................... 27
3.1.1. Рассчитываемые в модели параметры и общий алгоритм расчета .. 28
3.1.2. Размещение данных во время расчета в оперативной памяти компьютера........................................................... 28
3.1.3. Механизм указателей на массивы данных в памяти................. 34
3.1.4. Повышение скорости работы программы............................ 36
3.2. Стандартная структура файлов данных модели...................... 37
3.2.1. Чередование ролей логических файлов с данными "шара" и "трубки" в расчете.................................................... 38
3.3. Возможность задавать произвольное пространственное разрешение .... 41
3.3.1. Системы координат, используемые в модели.................... 41
3.3.2. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по широте........................................ 44
I
3.3.3. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по высоте....................................... 45
3.3.4. Модификация программы модели для использования переменных шагов интегрирования по долготе...................................... 46
3.3.5. Требования к модифицированной пространственной координатной сетке модели......................................................... 46
3.4. Обеспечение более гибкого задания внешнего ввода модели........... 47
3.4.1. Изменение способов задания электрических нолей и токов магнитосфсрного происхождения........................................ 47
3.4.2. Модификация программы модели для произвольного задания электронных высыпаний................................................ 48
3.5. Пакеты сервисных программ......................................... 49
3.5.1. Программы сохранения и копирования наборов данных............. 50
3.5.2. Программы извлечения результатов расчетов................... 51
3.5.3. Программы графического представления данных................... 52
3.5.4. Сохранение насчитанных данных непосредственно в ходе расчета 55
3.5.5. Примеры возможностей представления модельных данных 55
Глава 4. Расчеты спокойных вариаций параметров верхней атмосферы с
использованием модифицированной модели ................................ 64
4.1. Результаты тестирования........................................... 64
4.1.1. Вариант с использованием эмпирической модели термосферы (МСИС-86)........;................................................... 64
4.1.2. Полностью самосогласованный вариант........................... 64
4.2. Сравнение результатов модельных расчетов для спокойных условий с
эмпирическими моделями............................................... 76
4.3. Исследование влияния джоулева разогрева и высыпаний мягких
электронов на поведение термосферы и ионосферы над ЕИСКАТ 80
4.3.1. Исследование влияния выбора широтных шагов интегрирования
на результаты модельных расчётов параметров термосферы............ 80
4.3.2. Исследование влияния джоулева разогрева на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ......................................... 87
4.3.3. Исследование влияния нагрева мягкими высыпающимися электронами на температуру и состав термосферы над ЕИСКАТ 88
4.3.4. Исследование влияния высыпаний мягких электронов на концентрацию и температуру электронов и ионов в Е2-области над
2
ЕИСКЛТ......................................................... 88
4.4. Численное моделирование скорости диссипации турбулентной энергии в высокоширотной мезосфере................................................. 89
4.4. Численное моделирование долготной вариации электронной плотности в верхней ионосфере...................................................... 93
Глава 5. Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во
время геомагнитных возмущений.........:............................ 100
5.1. Ионосферная суббуря над ЕИСКЛТ 25 марта 1987 года............ 100
5.2. Термосферное возмущение во время суббури 25 марта 1987 года 107
5.3. Численное моделирование поведения верхней атмосферы Земли во время длительных усилений магнитосферного электрического поля (геомагнитных бурь)....................................... 115
Заключение............................................................ 121
Список использованных источников...................................... 123
3
Введение
Целью научного познания природы является выявление закономерностей, определяющих поведение объектов действительности. В естественных науках эти закономерности принимают вид математических соотношений между количественными характеристиками природных объектов и процессов. Весь процесс научного исследования можно разделить на несколько последовательных этапов: накопление критической массы экспериментального материала, организация его с целью выявления закономерности и формулировка этой закономерности в виде гипотезы, проверка ее в ситуациях, отсутствующих в первоначальном массиве опытных данных.
Этот элементарный цикл познания бесконечно повторяется, причем можно выделить два различных вида повторений: во-первых, сходящийся итерационный процесс уточнения выявленной закономерности, определения границ ее применимости и степени точности, и во-вторых, происходящий на качественно более высокой ступени процесс обобщения различных закономерностей в закон следующего уровня, для которого в качестве элементарных экспериментальных фактов выступают сами ранее выявленные закономерности. По мере движения по этой лестнице обобщений вверх все более сложной становится проверка гипотезы вне исходного массива данных. Из опыта мо1уг быть получены только элементарные экспериментальные факты самого низкого уровня. Свести к ним закономерности высшего уровня стандартными математическими методами не всегда возможно в принципе, и уж по крайней мере сложно. Обычный прием для этого - выявление ситуаций, где одними закономерностями промежуточного уровня (процессами) можно пренебречь по сравнению с другими (условие "много меньше"), и анализ таких крайних упрощенных случаев. Но взаимодействие процессов может быть выявлено только тогда, когда производимые ими эффекты сравнимы между собой. С ростом же числа таких взаимодействующих процессов сложность аналитического исследования их возрастает многократно.
В принципе, метод проверки таких закономерностей высшего порядка путем аккуратного сведения их к предсказанию элементарных опытных фактов, которые можно непосредственно наблюдать, известен давно - это численное моделирование. Но огромные объемы требуемых расчетов оставляли его лишь абстрактной возможностью, и только в сверхважных случаях, когда на карте стояли государственные безопасность и престиж, как в космических и ядерных проектах, эта возможность реализовывалась. Лишь с появлением ЭВМ численное
4
моделирование стало действительно эффективным методом научных исследований и начало бурно развиваться.
Одна из областей применения методов численного моделирования в геофизике - изучение магнитосферы, ионосферы и нейтральной атмосферы Земли, часто объединяемых в единое понятие верхней атмосферы. Исследование этой области пространства приобретает все большее значение в связи с развитием глобальных коммуникационных систем и практическим освоением ближнего космоса. В ней действует множество процессов различной физической природы. Частицы солнечного ветра вместе с переносимым ими ММП стремятся вторгнуться в магнитное ноле Земли, генерируя электрические ноля, дрейфы плазмы и токи, электромагнитное излучение Солнца диссоциирует и ионизирует атмосферные частицы, они вступают в различные химические реакции, рекомбинируют, внесенная в атмосферу солнечная энергия перераспределяется за счет переноса ветрами, возникающими из-за неравномерного разогрева, и теплопроводности, вращающаяся Земля увлекает за собой атмосферу, солнечные вспышки постоянно нарушают спокойное течение процессов. Самим своим существованием ионосфера обязана этим процессам, балансу между' их противоборствующими воздействиями. Аккуратный учет вклада каждого из них в суммарный результат возможен только методами численного моделирования.
В последние годы метод математического моделирования физических процессов в верхней атмосфере Земли прочно занял передовые позиции в мировой геофизической науке как средство интерпретации результатов комплексных экспериментов и наблюдений, в первую очередь данных установок некогерентного рассеяния и спутниковых данных. Значительный прогресс в развитии метода и его успешное применение при решении многих проблем взаимодействия между различными областями системы страто-мсзо-термосфера - ионосфера -магнитосфера Земли обязаны прежде всего бурному прогрессу в области компьютерной технологии, позволяющему быстро перерабатывать огромные объемы информации и решать все более сложные задачи математической физики численными методами. Современные теоретические модели этой системы представляют собой системы гидродинамических уравнений, описывающих законы сохранения частиц, импульса и энергии (уравнения непрерывности, движения и теплового баланса соответственно) тепловых компонент атмосферы, часто дополненные уравнениями для некоторых других процессов, влияющих на ее поведение, например, электрического поля или функции распределения сверхтепловых электронов. В понятие "теоретическая модель" включается, кроме того, необходимый набор начальных и граничных условий, а также алгоритм численного решения моделирующих уравнений.
5
Численные теоретические модели обладают рядом преимуществ перед традиционными эмпирико-статистическими. Степень их адекватности моделируемой системе выше, так как в основе их лежат физические закономерности, реально управляющие поведением среды в природе, а не наборы усредненных по многим различным состояниям результатов измерений отдельных параметров. Только такие модели способны воспроизвести конкретную глобальную геофизическую ситуацию, динамику поведения верхней атмосферы при конкретном пространственно-временном распределении внешних воздействий. Только они позволяют выделить и исследовать роль различных конкурирующих процессов и их взаимовлияние. Таким образом, теоретические модели углубляют наше понимание явлений, происходящих в ближайшем космическом окружении Земли.
Математическое моделирование околоземной среды бурно развивается в последние десятилетия как инструмент исследования геофизических процессов и прогнозирования их развития. В Советском Союзе одной из ведущих была калининградская школа ионосферного моделирования, создавшая ряд ионосферных, плазмосферных и термосфсрных моделей, объединённых в середине 80-х годов в единую глобальную модель термосферы, ионосферы и нротоносферы Земли.
Эта модель описывала крупномасштабные характеристики верхней атмосферы Земли с широтным разрешением 5 градусов для иопосферных параметров и 10 градусов для термосферных и временным разрешением 20 минут. Такое разрешение диктовалось возможностями ЭВМ того времени, и оно, будучи приемлемым ;шя средних широт, было недостаточным для исследований явлений в высоких широтах, где такие яркие структуры как аврорадьный овал и главный ионосферный провал имеют широтные размеры порядка нескольких градусов, а их временные вариации имеют масштаб порядка получаса.
В Полярном Геофизическом Институте передо мной были поставлена задача модифицировать глобальную численную модель верхней атмосферы Земли для исследований высокоширотных явлений, что определило название диссертации, и провести такие исследования.
Таким образом:
Целью настоящей работы является дальнейшее развитие и совершенствование глобальной теоретической модели системы "нейтральная атмосфера - ионосфера - плазмосфсра Земли" (объединяемых далее для краткости понятием "верхняя атмосфера"), а именно:
- повысить ее пространственное разрешение для обеспечения возможности воспроизводить высокоширотные физические процессы;
- повысить гибкость модели и упростить работу с ней;
6
- проверить адекватность модифицированной модели сравнением с наблюдениями как для спокойных, так и для возмущенных условий,
- проверить способность модели воспроизводить и объяснять физику высокоширотных процессов;
- исследовать ионосферно-термосферныс эффекты магннтосферных возмущений.
Научная новизна и практическая значимость настоящей работы состоит в том, что:
Разработана новая версия глобальной численной теоретической модели верхней атмосферы Земли с переменным шагом численного интегрирования по широте, позволившая резко повысить пространственное разрешение модели без заметных потерь в производительности. Такое решение предложено и реализовано впервые в практике мирового ионосферного моделирования.
Модель дополнена возможностью менять пространственное разрешение также по долготе и высоте и высоту нижней границы моделируемой области, что позволяет выбирать требуемое разрешение по всем трем измерениям.
Модель создана в виде единого программного комплекса, включающего, кроме собственно моделирующей программы, ряд вспомогательных программных пакетов, освобождающих физика-исследователя от необходимости углубляться в тонкости реализации сеточных методов и представляющих для него моделируемую область как сплошную среду.
С использованием модифицированной модели проведено моделирование ряда геофизических ситуаций, продемонстрировавшее способность ее адекватно воспроизводить процессы в высокоширотной ионосфере и, следовательно, прогнозировать их развитие:
• проведены расчеты спокойного состояния системы атмосфера-ионосфера с различными по густоте сетками, показавшие, что сетка с переменным шагом позволяет корректно воспроизвести локальные мелкомасштабные особенности, и в то же время даст значительный выигрыш по скорости расчета и требуемым машинным ресурсам по сравнению с сеткой с постоянным шагом того же разрешения;
• изучены причины возникновения долготной вариации электронной плотности в верхней ионосфере. Показано, что главной причиной возникновения долготной вариации в ионосфере являегся влияние термосферного ветра, различное в различных долготных секторах из-за различной ориентации силовых линий магнитного поля Земли па одних и тех же географических широтах, что вызвано несовпадением географической и геомагнитной осей;
7
• промоделирована скорость диссипации турбулентной энергии в высокоширотной мезосфере и нижней термосфере. Найдены формы вертикальных профилей и сезонной и широтной вариации коэффициента турбулентной диффузии, дающие наилучшее согласие модельных расчетов с результатами измерений;
• исследованы различные источники нагрева, действующие в высокоширотной атмосфере, и их влияние на температуру и состав термосферы. Показано, что сетка с переменным шагом, сгущенная в области высоких широт, позволяет описать эти процессы гораздо корректнее;
• промоделированы ионосферные и термосферные эффекты геомагнитной суббури 25 марта 1987 г. с использованием вариантов программы как с эмпирической моделью термосферы МЭЙ, так и полностью самосогласованной модели. Результаты моделирования сравнивались с реальными измерениями на установке ЕИСКЛТ. Показано, что корректное воспроизведение теплового источника возможно только с использованием самосогласованной модели и при пространственном разрешении, соответствующем характерному масштабу этого источника. Получена реалистичная картина распространения возмущения тсрмосферного ветра в виде внутренней 1равитационной волны.
• предпринята попытка дополнить модель блоком расчета параметров магнитосферного плазменного слоя и продольных токов зоны 2. С этим вариантом магнитосферного блока было проведено моделирование ионосфсрно-термосферных эффектов длительного усиления разности потенциалов поперёк полярной шапки (магнитосфсрной бури) с учётом его экранирования токами зоны 2. Были воспроизведены все основные особенности ионосферно-термосфсрной бури (изменения термосферпой циркуляции и газового состава, глобальное уменьшение электронной концентрации).
На защиту выносятся следующие положения:
• Модифицированная версия трехмерной глобальной численной теоретической модели системы "термосфера - ионосфера - протоносфера Земли", дополненная возможностью легко менять пространственное разрешение по любому из трех измерений, в том числе задавать произвольный переменный шаг сетки по широте. Эта версия включает главную расчетную программу с переработанными алгоритмами, новую стандартную структуру данных модели, а также пакет программ сопровождения модели для сохранения, копирования и интерполяции из одной сетки в другую глобальных распределений расчетных параметров.
• Результаты численного моделирования спокойных и возмущенных вариаций параметров верхней атмосферы: концентраций нейтральных и заряженных
8
компонент, температур, скоростей движения, электрического потенциала — и их физическая интерпретация.
Апробация результатов и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII и VIII International E1SCAT Workshops (Tromso, Norway, 1993; Cargese, France, 1995; Leicester, UK, 1997), IUGG XXI General Assembly (Boulder, CO, 1995), 3 совещании памяти В.П.Шабанского "Математические модели ближнего космоса" (Москва, МГУ, 1993), Международных конференциях по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, СПбГУ, 1996, 2000), Апатитскях семинарах по физике авроральных явлений (1994, 1995, 1996, 2000) и др. По теме диссертации опубликовано 26 работ, из них 7 статей и 19 тезисов докладов. Кроме того, модифицированная версия модели использовалась в целом ряде исследований, выполненных другими авторами в Полярном геофизическом институте и Мурманском государственном техническом университете.
Исследования были поддержаны рядом грантов Фонда Сороса и РФФИ.
9
Глава 1. Современное состояние ’численного моделирования процессов в верхней атмосфере
Сегодня существует целый ряд теоретических моделей ближнего околоземного пространства, различных по охвату процессов в моделируемой среде, начиная с локальных моделей фотохимии, иллюстрирующих только взаимные превращения нейтральных и ионизированных частиц верхней атмосферы, и до моделей глобального масштаба, описывающих взаимодействие многих процессов в изучаемой среде и позволяющих адекватно описать широкий крут явлений различных масштабов и физической природы. Не претендуя на полноту, упомянем лишь некоторые, классифицируя их но степени самосогласованности и широте охвата процессов в моделируемой среде.
1.1. Ионосферные модели
Исторически сложилось так, что первоначально наибольшее внимание шофизиков было обращено на ионосферу. История развития моделирования ионосферы насчитывает уже несколько десятилетий. Среди множества созданных за это время самых разных численных теоретических моделей, относящихся к различным широтным регионам и интервалам высот и предназначенных для решения различных задач назовем здесь лишь некоторые работы Калининградской обсерватории ИЗМИРАН (ныне Западного отделения ИЗМИР АН), достаточно типичные, послужившие в будущем основой для разработки глобальной модели системы термосфера - ионосфера - протоносфера, описываемой в гл.2.
В статьях Намгаладзе и др. (1972), Латышева и др. (1975), Латышева и Намгаладзе (1975), Namgaladze сГ а!. (1977) описана динамическая модель невозмущенной среднеширотной ионосферы, включавшая уравнения непрерывности для ионов О', Н+, С>2*> N0^, теплового баланса для электронов и ионов и уравнения движения для горизонтальных компонент скорости нейтрального газа, записанные в сферической географической системе координат. В моделирующих уравнениях (кроме уравнений движения) были отброшены производные по горизонтали, что сделало задачу одномерной, включающей зависимость от широты и долготы только через внешние управляющие параметры. Необходимые для решения плотности компонент нейгральной атмосферы брались из различных эмпирических моделей.
В работе Суроткина и др. (1979) описана четырехионная численная модель экваториальной ионосферы, основанная на численном интегрировании уравнений для
10
- Київ+380960830922