Изучение нелинейной динамики среднемасштабных неоднородностей в низкоширотном F-слое тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

• п российская академия наук

г*" институт космических исследовании

На пробах рукописи

МАЦИЕВСКИП Сергей Валентинович

ИЗУЧЕНИЕ НЕЛИНЕРИОИ ДИНАМИКИ СРЕДНЕМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В НИЗКОШИРОТНОМ Р-СПОЕ

01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидат ¡ризут-матмтшхеских наук

москва 1992

Работа выполнена в Калининградском государственном университете и Институте космических исследований Российской академии наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Н. С. Ерохин доктор физико-математических наук, профессор М.А.Никитин Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Е. В. Мишин доктор физико-математических наук Г. Л. Гдалевич

Ведущая организация: Институт прикладной геофизики им. Е. К.Здорова (Москва)

Защита состоится " апр-*/1Я 1992г. в /О ч. ОО м. на заседании специализированного совета Д 002.94.01 в Институте космических исследований по адресу: 117810, Москва, ул.Профсоюзная, д.84/32, подъезд 2,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований Российской академии наук

Автореферат разослан С- 1992г.

Учёный секретарь специализированного совета к. т.н.

В. Е. Нестеров

. : _ ! _ .:/;• "• 'I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш

Ионосферная плазма представляет собой часть земной атмосферы, состоящей из нейтральных частиц, концентрация которых экспоненциально убывает. с высотой, и малой проводящей добавки, неоднородной по высоте и оказывающей существенное влияние на физические процессы. Эта проводящая среда образуется в результате сложного взаимодействия как процессов, включападах фото ионизации, рекомбинации и химические реакции, так и движения ионов и электронов, являвшегося следствием воздействия нейтральных ветров, электрических полей, диффузии плазмы и геомагнитного поля.

Как показывает экспериментальные наблюдения,в Г-области ночной ионосферы существует широкий спектр неоднородностей концентрации плазмы с масштабами от 10см до 100км. Их происхождение связывают с несгабильностями плазмы Г-слоя, в частности,дрейфовыми неустойчнвостями,неустойчивостью Рэлея-Тейлора. В литературе имеется точка зрения, что генерация столь широкого спектра неоднородностей начинается с рождения крупномасштабных структур из-за неустойчивости Рэлея-Тейлора, которые инициируют более мелкомасштабные процессы. Поскольку инкременты оказываются одного порядка,наблюдателем весь спектр воспринимается как вспыхивающий сразу.

■ • Достаточно полное теоретическое описание этих явлений - достигается на основе классических законов с привлечением уравнений Максвелла и уравнений многокомпонентной

' ' - г -

газодинамики. Основные трудности на этом пути связаны с нелинейностью получающейся системы уравнений, которая описывает плазменные явления, не имеющие простой симметрии. Поэтому для теоретического анализа этой чрезвычайно сложной проблемы наиболее адекватно численное моделирование, позволяющее исследовать нелинейную динамику процессов, уровни насыщения неустойчивостей и т. д.

Такие математические модели, решение которых получено численным путём с привлечением ЭВМ, позволяют не только и не столько иллюстрировать определённые физические эффекты и давать оценку относительной важности разных факторов, но и, самое существенное, отслеживать сложную эволюцию плазменных процессов в пространстве и во времени. Поскольку система уравнений модели основана на классической теории, то численные, расчёты могао считать эквивалентными теоретическим расчётам. Основное внимание в этом случае следует уделять проблемам упрощения базовой . системы уравнений модели и выбору адекватных численных методов решения с тем, чтобы полученная компьютерная программа соответствовала конфигурации,доступной пользователю ЭВМ.

Такой анализ весьма важен с фундаментальный и прикладной точки зрения, а именно увеличения надёжности, дальности, действия и информативном радиотехнических систем связи и навигации, активных экспериментов с бариевыми облаками, физики процессов вертикального переноса малых примесей, генерации вистлеров и много другого. К сожалению, пока не существует модели неоднородной структуры ионосферы,

- 3 -

голностьв отвечающей этим потребностям. Это делает весьма 1ктуальным создание теории возникновения и развития ионосферных неоднородностей, которая чрезвычайно важна для лредскаэания и описания диэлектрических свойств ионосферы.

Основная цель работы

Настоящая диссертационная работа посвящена современной теории происхождения и звотщии гак называекьж' "пузырей" -нестационарных ионосферных дыр, среднемдсштабных поперёк геомагнитного поля, имевших ярко выраженнуп депрессии электронной концентрации,-которые наиболее часто встречаются в приэкваториальной ночкой Г-области. Целью работы является:

1) построение иерархии численных моделей исследования "пузырей". Для этого нужно: а) получить из общепринятых классических уравнений Максвелла и уравнений многокомпонентной гидродинамики упрощённые нелинейные уравнения в частных производных, отвечающие поставленной выше задаче; б) аппроксимировать эти уравнения на сетках конечных разностей и затем запрограммировать итоговые нелинейные алгебраические уравнения. Полученная численная модель должна воспроизводить основные закономерности изучаемых плазменных процессов;

2) исследование с помощью этого инструмента нелинейной дкнашки и термодинамики пространственно-временных структур, которые связаны с возникновением и развитием ионосферных "пузырей" в приэкваториальной ночной Г-о<5ласти под действием механизмов наличествующих неустойчивостей.

Вклад автора в полученные результаты

Настоящая работа является частью НИР, выполненной I коллективе авторов. Конкретный вклад автора заключается I сяедутеы: 1) выведены упрощённые уравнения в частных производных численных моделей; 2) выполнено програш-шровашге итоговых алгебраических уравнений; 3) организованы и проведены вычислительные работы на ЭВМ; 4) обработаны и интерпретирована полученные результаты. Автор приносит искреннюю благодарность к. ф.-м. н. Н.М.Кащенко за постоянные обсуждения различных проблем при подготовке диссертации, выполнение конечно-разностной аппроксимации и разработку алгоритма решения уравнений, а также к. ф. -м. н. А. В. Пецу за физическую постановку и обсуждение основных идей простейшей экспресс-модели.

Научная новизна работы

Материалы диссертации обладает достаточно высокой научной новизной, основные элементы которой следуваше.

1. Разработан и адаптирован ряд совершенно новых многомерных электродинамически согласованных численных моделей, предназначенных для теоретического исследования нелинейной динамики среднеыасштабньгх неоднородностей ночной экваториальной Г-обласги ионосферы. Эти модели вкявчают, как свою составную часть, общепринятые эмпирические модели нейтральной атмосферы и воспроизводят главные эмпирические характеристики приэкваториальной Г-области вместе с эволвционируквдми в ней плазменными неоднородностями.

2. Впервые подробно исследованы механизмы рождения "пузырей". Рассмотрены следующие процессы их генерации:

а) появление в нижележащем Е-слое локализованных зон повышенной проводимости с дальнейшей их проекцией вдоль силовых линий в Г-слой и образованием гам "пузырей";

б) прохождение внутренней гравитационной волны в нейтральной атмосфере с увлечением заряженных частиц ионосферы и образованием "пузырей".

3. Впервые подробно исследовано влияние на эволюцию развитых "пузырей" таких важных факторов, как:

а) амбиполярнэй диффузии и Е-области как нижележащей проводящей подложки;

63 термодинамики ионосферной плазмы и аэрономических ионосферных процессов;

в) тяжёлых ионов, инерционности ионов и внешнего, зонального электрического поля;

г) взаимодействия нескольких конкурируюанх "пузырей".

Практическая значимость работы

Численную технологию решения нелинейных многомерных уравнений, разработанную в настоящей диссертации, можно очень широко использовать в прикладных и теоретических задачах многих отраслей физики плазмы и атмосферы, в работе таких организаций, как ИПГ, ИКИ, ИЗМИРАН и других. Созданные численные модели могут служить основой задания среды' для задач распространения радиоволн и колебаний земной атмосферы и проведения вычислительных экспериментов по

физике ионосферы. Полученные результаты необходимо учитывать при проведении экспериментов по генерации F-рассеяния и вистлеров и для анализа данных наблюдения ионосферных неоднородностей и прохождения электромагнитных волн,

Апробация работы

Материалы диссертации представлялись автором в виде устных докладов на XIII научной конференции молодых учёных и специалистов М$>ТИ (Москва, 1987), IV школе-семинаре по математическим моделям ближнего космоса СДивногорск, 19883, IV международной рабочей группе по нелинейным и турбулентным процессам в физике "Нелинейный мир" (Киев, СССР, 1989), XXIII генеральной ассамблее международного научного радиосоюэа (Прага, Чехословакия, 1990) и в виде стендовых докладов на Международной школе-семинаре "Математические модели, аналитические и численные методы в теории переноса" (Минск, СССР, 1986), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование: нелинейные проблемы и вычислительная математика" (Звенигород,1988), V конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой" (Ташкент, 1S89), IV международной школе по моделировании космоса (Киото и Нара, Япония,1991). Апробация работы также проведена на Всесоюзной школе-семинаре молодых учёных и специалитов "Математическое моделирование в естествознании и технологии" (Светлогорск, 1988), XVI генеральной ассамблее европейского геофизического общества (Висбаден, Германия, 1991) и на семинаре по физике плазмы унизерситета штата Техас (Остин, США, 1991).

Структура и объём работы

Настоящая диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. 0<3ъём диссертации составляет 100 страниц основного текста, 20 страниц иллюстраций и 10 страниц библиографии, включающей работы российских и зарубежных авторов.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вб> введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы и излагается её содержание. Кратко описаны структура экваториальной Г-области и основные физические процессы формирования в ней- плазменных неоднородностей. Дан анализ результатов исследований неустойчивой экваториальной Г-области ионосферы, выполненных с использованием аналитических и численных моделей другими исследователями. Приведены^ данные экспериментальный наблюдений, отвечающие теме диссертации,• по развитию неоднородных структур ионосферной плазмы, которые сопоставляются с результатами проведённого в диссертации моделирования.

В первой главе приведена нелинейная система уравнений многожидкостной магнитогидродинамики, полностью описывающая эволюцию среднемасштабных неоднородностей экваториальной ионосферы. Поскольку ионосферная плазма слабоиониэована и связь заряженной компоненты с нейтральной слаба, нейтральная составляющая задаётся независимыми фоновыми моделями.

3 §1 представлена исходная система уравнений Максвелла и гидродинамических уравнений с учйтом электромагнитных сил. Чтобы описать неравновесное состояние, нужны уравнения, позволяющие по начальным значениям описать изменение параметров состояния. Физически наиболее обоснован вывод обобщенных гидродинамических уравнений из уравнения Больцмака, - самого простого уравнения точной кинетической теории. Эти уравнения следующие;

f уравнения непрерывности концентраций ионов и электронов öryöt + Vtn/j) = Qj ~ Ljt J=T7N,

jуравнения движения ионов и электронов n^diydt = YjCE^ Ю - Чр. + - i^nfttr^rj,

'уравнения теплопроводности ионов и электронов |(3/2)nJkdTJ/'dt- + PjV^j + VQj = G} " P}. [уравнение непрерывности электрического тока rJ^vC^n/.D =0,

Jуравнение потенциальности электрического поля \V Е - О,

где aj( Yy ау Ly т., V Pj, V Ту Gy Р^ -концентрация, дрейфовая скорость, темп образования и гибели ионов, масса, заряд, давление, частоты соударений с нейтралами. температура и плотность теплового потока, скорость нагре ва и темп охлаждения частиц сорта j , fc - постоянная Больцма-на, j - плотность тока, £ -• напряженность электрического поля. Имеем С 5N+6 ) уравнений и столько же скалярных неизвестных, отвечаоашх параметрам состояния п , V , Т . j, Е.

В §2 получено явное выражение для скорости К заряженных

истиц. Для инерционных членов уравнения движения, введём

[риблихение с!К/сЦ = V. К. + У., где V. , V - некоторые

^ о * J

юзффициенты, и выразим из уравнений движения скорости

истиц сорта j: У = иХЕ+ВА /а 3, где о =

Л Л «I ^ о

^р Ль О

>

0 0

шалог тензора подвижности, и,„ - а;/В, и, = а;/СВ+Ш'2),

J о О Л Р J J

-'кг ~ - продольные,педерсеновские и холловские

л " у и

{омпоненты, В = |В|, а^ = е^ВЛгп^)/^'), а^ = ^п^^'п*

"^п**4'1' * -Чр/^Л^*^ТеПеРЬ

из исходной системы уравнений южно выделить ядро 2:! уравнений, трсбунвдх нетривиального решения. Для этого подставим скорости К в выражение для плотности электрического тока, получим: j г аЕ + Л, где о' = ~

аналог тензора проводимости, Л = ВС£> п и И /а 3. Принимая

V ^ 0 у О

потенциальность электрического поля £ = и

квазннейтралыюсть ионосферной плазмы Е?^ = 0, получаем

модельное ядро из £11 трёхмерных нэстационарных нелинейных уравнений с 22) неизвестным! д2< .... Г , .... 7"м, 5; уравнения непрерывности концентраций ионов дп^д1 + ?Сп,К 3 = йк - 1г 1=27Н, уравнения теплопроводности конов и электронов

сз^п-мгли + р.чу + ^ = е. - я.,

' ^ ^ «/V ^ ^ ^

уравнение для потенциала электрического поля

В §3 приведено описание трёх численных математически моделей. Все они получены из модельного ядра путём базисны упрощений, использующих симметрии задачи. Дело в том, что модельное ядро входит трёхмерное уравнение для потенциал электрического поля, полученное из уравнения непрерывное! тока. Это эллиптическое уравнение требует , однако, мног машинных ресурсов и для численного решения на ЭВМ нуждаетс в упрощении, в данном случае в понижении размерности. Первс упрощение связано с высокопроводящими силовыми линиям геомагнитного поля. Проинтегрируем вдоль них это уравнение диполяркой системе координат (а, , где ось /3 направлен по силовой линии, <р - долгота. Имеем: = 0, где Е и

концов силовых линий, имеем: ^(дСН/р/Н^Уд/З^бр = О,

уравнение становится двухмерным: Гот./б/З = 0, .где ^

действует поперёк магнитного поля. Имея эквипотенциальное] $ = ФСс*,р) силовых линий магнитного поля, окончателы получаем уравнения 1-й математической модели: уравнения непрерывности концентраций ионов дп^д1 + ^Са^) = - Ц, 1=Г7Н, уравнения теплопроводности ионов и электронов (3/2)^^/61 + р4УК + = ^ - Р , ]=е,1, уравнение для потенциала электрического поля дМ.$орН1Га2<1{ПдЬ/да}/да + сН С |сгрШ~ 2с1/3) д$/др]/др +

е .

произведение коэффициенте непроницаемости для той

- Е- и Р- области, И = Н И Н,

а <р /

Ламэ. При граничных условиях

Зторое базисное упрощение связано со свойствами гредяемасштабных экваториальных неоднородности, которые, согласно данным наблюдений и численных трёхмерных экспериментов на предыдущей модели, сильно вытянуты вдоль силовых линий. Поэтому система уравнений 2-й математической модели полностью двухмерна: уравнения непрерывности концентраций ионов

уравнения теплопроводности ионов и электронов (3/2>п*Ш/(Н * рД^ * = ^ - Рг ,,.вЛ. уравнение для потенциала электрического поля .7/0^$) = 7±Л.

Наконец, наблюдения и числешше эксперимеггга на предыдущих ыоделях показывают, что достаточно развитые неоднородности сильно вытянуты по вертикали. Учтём это обстоятельство только в уравнении для потенциала, перейдя обратно к электрическому полю: = 0, откуда

+ АР = С0П51 = 10Р и £Р = СЛзР+/У/сГР' гдо V '

долготная компонента фонового тока ,/0. Поскольку УдХЕ « = 0, получаем ядро саыой простоя двухмерной

3-й модели с однородны« уравнением для электрического поля: уравнения непрерывности концентраций ионов (Зг^/дИ + ^Сп/,) »0, - Ц, 1=ГЛТ, уравнения теплопроводности ионов к электронов ' СЗ/г^Ш/М * f = 6, - Рг ^е, 1,

уравнение потенциальности электрического поля $Еа/др я дВр/даи

В §4 описано получение в процессе решения модельных уравнений: зЗ значений коэффициентов; б) краевых условий. В зависимости от сложности ждали её коэффициенты либо вычисляется из трёхмерной эмпирической модели №318 на каждом дискретном временном шаге при численном решении уравнений, либо задастся на основании более простых стационарных моделей. Ввиду конечности области интегрирования уравнения требует задания граничных условий, представляющих собой, в зависимости от границы, либо условия непроникноввния в область интегрирования, либо некоторые простые уравнения, полученные из решаемых уравнений на границах области интегрирования. В качестве начальных значений берутся одно-и двухмерные высотные распределения ионов, а в качества

начальных возмущений, запускающих неустойчивости, либо

■ /'

трёхмерные'распределения инжектируемых веществ, либо более простые возмущения плазменной концентрации.

Во второй главе рассматривается алгоритм решения задачи, заключающийся в доведении аналитических уравнений модели, описанных в первой главе, до дискретных уравнений с методикой их численного решения на компьютере.

В §1 изложена пространственно-временная дискретизация уравнений. Для решения задачи выбрана конечно-разностная аппроксимация как наиболее простая. В трёхмерной модели дискретизация по пространству проводится на трёхмерной сетке, квазиравномерной по направлению силовых линий геомагнитного поля и равномерной по двум другим направлениям. В двухмерной модели сетка квазиравномерная по

долготе и равномерная по высоте. Пространственная дискретизация уравнений проведена на.двух сетках: узлы сетки для аппроксимации двухмерного эллиптического уравнения находятся в центре ячеек сетки для аппроксимации остальных уравнений. Дискретизация по времени проводится на неравномерной сетке, шаги которой определяются из соображений устойчивости получаемого решения и малой погрешности аппроксимации.

В §2 описываются конечно-разностные схемы. Поскольку получаемое решение должно моделировать процесс развития ионосферного пузыря, в котором существенное действие принадлежит механизму неустойчивости, то задача должна решаться только на монотонных конечно-разностных схемах. В противном случае будут появляться лишние, отсутствующие в точно« аналитическом решении экстремумы, а так как действует механизм неустойчивости, то будут появляться лишние развивагвдеся объекты. Прима* также во внимание, что для уравнений переноса известны только многомерные монотонные коиочно-разностные схеш 1-го порядка точности. Поэтому нестационарные многомерные уравнения переноса и диффузии концентрации и теплопроводности, являющиеся уравнениями переноса в поперечном направлении а ураинентага диффузии в продольно« направлении, аппроксимируются по слодувдоЗ явно-неявной схеме: по продольному налраа ленив (по силовым линиям геомагнитного поляЗ используется неявная схема второго порядка» по поперэчнш - явная схема первого порядка точности, причем правыэ часта (источижаО берутся с верхнего

временного слоя. Несимметричное двухмерное эллиптическое уравнение электрического потенциала аппроксимируется по пяткточечной конечно-разностной схеме второго порядка точности. Для решения разностного аналога эллиптического уравнения используется оригинальный прямой метод: модифицированный метод матричной прогонки.

В §3 приведён алгоритм совместного решения уравнений. Решение уравнений заключается в получении значений неизвестных функций на пространственных сетках в последовательные моменты времени. На каждом временном слое методика вычислений следующая. Сначала решается эллиптическое уравнение, требующее только граничных значений по пространству, при этом вычисляются значения электрического потенциала. Далее решаются уравнения переноса концентраций с вычислением концентраций ионов. Наконец, решаются уравнения теплопроводности, если они есть, и вычисляются температуры ионов и электронов, причём для улучшения качества решения используются итерации по нелинейности в каждом уравнении теплопроводности по отдельности, а также итерации по связям как между разными уравнениями теплопроводности, так и между ними и уравнениями переноса концентраций.

В §4 анализируются решения элементарной модели, полученной из самого простого ядра с одномерным уравнением для электрического поля. Показано, что ионосферные пузыри развиваются по уже ставшему классическим сценарию, приведённому в более ранних работах других авторов и

полученных на гораздо более сложных моделях. Этот сценарий заключается в следующем : 1 3 во-первых, задается начальная неоднородность в виде неглубокого "пузыря" с единственным обязательным условием: "пузырь" ограничен по долготе С для приэкваториальной ионосферы из эмпирических соображений выбирается средний масштаб 1 - 100 км ) ; 2 ) начальная неоднородность медленно растет в области максимального линейного инкремента у плазменной неустойчивости Рэяея-Тейлора ( эта область находится по высоте сразу под слоем Р ионосферы ) и медленно рассасывается вне этой области; 3 ) затем "пузырь" поднимается вверх, принимая характерную двухмерную С поперек геомагнитного поля ) грибообразную форму, причем ножа "пузыря" остается открытой снизу. Одновременно "пузырь" начинает углубляться в режиме с обострением, происходит его долгот'иый коллапс и рост внутри "пузыря" вертикальной скорости плазмы и поляризационного электрического поля; 4 ) "пузырь" "уходит" вой внешнюю ионосферу, остается одна его ножа в виде узкого сквозного вертикального канала, проходящего через весь Р-слой, с сильной депрессией плазмы и высокими вертикальной скоростью и температурой плазмы внутри канала. Области с увеличенной плазменной концентрацией - "облака" во время развития "пузыря" лишь слегка усиливаются и слегка опускаются вниз, не приводя к таким эффектным результатам, как в случае "пузырей". Достоинство такой экспресс-модели не только в том, что ее можно решать численно на любой персональной ЭВМ, но и в том, что она поддается аналитическому исследованию.

В третьей главе описаны две серии численных экспериментов по моделированию искусственного и естественного механизмов возникновения неоднородностей. Эти процессы начинаются с возникновения неоднородностей верхней атмосферы, напрямую к ионосферным "пузырям" не относящихся, но в ходе последующего морфогенеза неоднородностей приводящих к каскадной самоорганизации ионосферных "пузырей".

В §1 с использованием 1-й трехмерной численной модели исследован процесс просачивания неоднородного электрического поля с высот нижележащей Е-области ионосферы. Начальная неоднородность в Е-области представляет собой трехмерное колоколообраэное распределение ионов, моделирующее янжекцию "облака" бария в Е-слоЯ в стороне от геомагнитного экватора & реальном эксперимента, которое быстро рассасывается. Эта зона повышенной концентрации является также зоной повышенной проводимости Е-области, под которую подстраивается электрическое поле ионосферы. Структура электрического поля, в своя очередь, передается вдоль эквипотенциальных силовых линий в экваториальную Г-область. В Г-области возникает зона, соответствующая зоне повышенной проводимости в Е-области, где дрейф плазмы направлен вниз. В результате в Г-области, наоборот, плазменная концентрация подстраивается под электрическое поле . и возникает плазменное "облако". Вплотную к этому "облаку" образуются два ионосферных "пузыря": один к западу и один к востоку.• Части "пузырей", находящиеся в области максимального положительного линейного

инкремента неустойчивости Рэлея-Тейлора, развиваются по классической схеме и поднимаются во внешнею ионосферу. Пусть теперь ty - время первого достижения некоторой фиксированной вертикальной скорости плазмы внутри развитых пузырей в плоскости экватора. Варьирование характерной скорости рассасывания шжекцш бария в реальных физических. пределах 5-15 мин не влияет на 1у, следовательно, начальные неоднородности в F-слое, необходимые для запуска механизмов неустойчивости, успевают полностью сформироваться за время, существенно меньшее 5 мин. Интересна зависимость tv от максимальной концентрации бария внутри инжектируемого "облака". При больших концентрациях tv = const, следовательно, процесс развития пузырей при слишком больших концентрациях бария не зависит от величины этой концентрации. При небольших амплитудах время (у линейно зависит от максимальной величины концентрации бария, причем коэффициент io этой ' зависимости не зависит ни от характерного радиуса "облака", нн от фиксированной скорости, которая выбрана для определения параметра 1у. Время t0 естественно назвать характерным временем развития нелокальной неустойчивости Рэлея-Тейлора , определяющим процесс ее развития в целом. Характерное время развития классической локальной неустойчивости Рэлея-Тейлора обуславливает развитие "пузырей" только на высоте, где находится инкремент г . Для данной серии расчетов справедлива оценка tg fc 5 т^-

В §2 с использованием 2-й двухмерной численной модели исследован процесс увлечения плазменных компонент внутренней гравитационной волной ( ВГВ ). Для возникновения "пузырей" необходим пространственный резонанс, связывающий волновой вектор ВГВ с вектором скорости плазменного дрейфа Еой'В, где £р - внешнее электрическое пола, Положим Кп = Гс + \'у, где

фоновая скорость дрейфа нейтральной атмосферы, волновая составляющая, задающая структуру ВГВ с параметрами сг - безразмерная амплитуда и <>о - начальная фаза. При нарушении пространственного резонанса Ко0 = полностью отсутствует морфогенез ионосферных структур. Время процесса отсчитывается с момента возникновения ВГВ вместе с пространственным резонансом. Введем параметр ty - время первого достижения некоторой фиксированной вертикальной скорости дрейфа плазмы внутри "пузырей". Зависимость времени tv от амплитуды ВГВ с логарифмическая с коэффициентом пропорциональности 1о. Время t0 естественно назвать • характерным временем развития нелокальной неустойчивости Рэяея-Тейлора, определяющий процесс ей развития в целом. Характерное время развития классической локальной

неустойчивости Рэлая-Тейлора обуславливает развитие "пузырей" только на высоте, где находится инкремент Для данной серии расчетов справедлива оценка to fe S -r^. Рассмотрим каскадный' механизм развития "пузырей" из 2-х стадий: ВГВ начальные неоднородности "пузыри". На 1-й стадии возникают слабые неоднородности вертикального дрейфа плазмы. Причина этого - увлечение заряженных компонент

движением нейтралов, которое носит по высоте синусоидальный характер. Эти неоднородности располагаются по вертикали в строго шахматном порядке, - зоны повышенного вертикального дрейфа чередуются с зонами пониженного. В конце 1-й стадии происходит естественный отбор среди неоднородностей плазменного дрейфа: развиваются в неоднородности плазменной концентрации только те из них, которые попали в область максимального положительного линейного инкремента у. В

/ПЛл

указанной области возникают неоднородности плазменной концентрации, соответствующие неоднородностям вертикального дрейфа плазмы, а также новые неоднородности рядом со старыми в строгом шахматном порядке, но уже по горизонтали. Этот процесс отражает морфогенез новых конвективных ячеек плазменной неустойчивости Рэлея-Тейлора. На 2-й стадии развитие "пузырей" происходит по классическому сценарию. Количество "пузырей" зависит от взаимного расположения обасти и начальных неоднороднйзстей ■■ при изменении начальной фазы ро структура ВГ8 сдвигается по высоте, и в область у попадает иное расположение неоднородностей. Одиночный "пузырь" развивается быстрее, чем два "пузыря". Обозначим через 1в смешение самого развитого "пузыря" относительно вертикальной оси ВГВ. Смещение 1в и время 1Ч полностью коррелируют между собой; 1) максимальное смещение наблюдается одновременно с минимальным временем 1у, при этом развивается одиночный пузырь; 2) при сдвиге начальной фазы <ро на п/2 наблюдается обратная картина, когда развиваются два пузыря, одинаково влияющие друг на друга.

В четвертой главе списаны четыре серии числению-: экспериментов по моделированию эволюции развитых ионосферных "пузыре."".

В §1 с использованизм 1-й трехмерной численной модели исследовано влияние трехмэрных факторов: продольной амбиполярной диффузии и проводимости Е-области ионосферы. Использовались начальные возмуцения 2-х типов: 1) 5Я "пузырек", однородный по высоте, с продольным масштабом 1ц 1000км (естественный типЗ; 2) 30'.' "дыра" с 1ц 100км (искусственный тип). В нелинейной динамике неоднородности искусственного типа выделяется 2 стадии: 13 диффузионная, на которой начальная неоднородность расплывается вдоль силовых линий и формируется новое продольноэ распределение плазма; 23 рэ лей-тойлоровекая, на которой формируется ионосферный "пузырь", ужодяинй со внешне» ионосферу. Зволрция неоднородности естественного типа по сути двухмерна, ввиду вытянутоси! по силовым линиям с самого начала процесса, и соьпадает со 2-й стадией динамики предыдущей неоднородности. Такая двухыеркость, т.е. сильная сглаженность продольных профилей электронной концентрации на развитой стадии процесса, является следствием влияния продольной амбиполярной диффузии плазмы, которая распространяет эффекта депрессия электронной концентрации с экватора на вев дотиу скловой лишш. Выявлены следующие 2 фактора, усишгахдае развитие "пузыря": 1) увеличение продольного масштаба неоднородности 1ц; 2) уменьшение величины интегральной лодарсоновской проводимости Е-области.

В §2 с использованием 1-й трехмерной численной модели исследован джоулев нагрев плазменных дыр. Начальное возмущение задается в виде 5Я "пузырька". Рост ионной температуры происходит вместе с ростом депрессии ионной концентрации в режиме с обострением. При депрессии концентрации более двух порядков имеют место 2 эффекта: 1) температура ионов превышает 20000К; 2) возникает сильное нарушение теплового равновесия: температура ионов намного превышает температуру электронов. Как следствие имеем сильный градиент температуры у основания Г-слоя, причем максимум электронной температуры находится на вершинах силовых линий, а максимум температуры ионов смещен к основанию Г-слоя. Оказалось, что учет: 1) температурной зависимости аэрономии, т.е. ионосферных химических реакций, не оказывает влияния на скорость развития "пузыря", что связано с сильным вымыванием плазмы из пузыря; 2) температурной зависимости частот столкновений ионов и электронов с нейтралами сильно тормозит развитие "пузыря". Джоулев разогрев плазмы, как и рост вертикальной скорости ее дрейфа, является следствием увеличения напряженности поляризационного электрического поля при падении электронной концентрации внутри пузыря.

В §3 с использованием 2-й двухмерной численной модели исследовано проникновение тяжелых ионов во внешнюю ионосферу. Эффективность выноса тяжелых ионов во внешнюю ионосферу зависит от Z факторов: 1] уровня концентрации этих ионов у основания Г - слоя; 23 степени опустошения

ионосферного " пузыря ". При этом развитому " пузырю " по электронной концентрации п0 соответствует " облако " по концентрации тяжелых ионов n ^ . Причем, ес(ли "пузырь" уходит во внешнее ионосферу и там исчезает вследствие того, что во внешней ионосфере фоновая электронная концентрация монотонно падает с высотой, то "облако", наоборрт, во внешней ионосфере только увеличивается в размерах за счет того, что в F-слое и выше фоновая концентрация тяжелых ионов также монотонно падает с высотой, Из-за больших скоростей плазменного дрейфа внутри "пузыря" и падения частот столкновений с нейтралами с высотой желательно учитывать инерционность движения плазмы. Инерционность не меняет кардинально классического сценария развития "пузыря", но при сильной депрессии плазмы: 1) замедляет развитие "пузыря"; 2) делает "пузырь" асимметричным и более широким по долготе; 3) провоцирует пережатие ножки пузыря и уход во внешне» ионосферу изолированного снизу "пузыря". Также замедляет развитие "пузыря" внешнее электрическое поле, направленное на запад Снаправленное на восток усиливает развитие "пузыря"). Более того, существует пороговая величина внешнего электрического поля, направленного на запад, при превышении которого "пузырь" вообще не развивается.

В §4 с использованием 2-й двухмерной численной модели исследована нелинейная динамика системы среднемасшгабных неоднородностей. Начальными возмущениями являются 5% понижения фоновой плазменной концентрации с масштабом 20ки по долготе н равными расстояниями между ними по долготе.

- гз -

Нелинейная динамика такой системы "пузырей" зависит от следующих факторов: 1) расстояния по долготе между центрами начальных возмущений 1о; 23 количества начальных возмущений М0; 3) относительного времени появления начальных возмущений. При I » 20км "пузыри" развиваются независимо друг от друга; при < 20км системы "пузырей" как таковой не существует, присутствует один широкий "пузырь". При 1о > 20км "пузыри" в течение некоторого времени развиваются отдельно, конкурируя друг с другом: чем больше 1о, тем больше время, после которого пузыри сливаются в один. Если ка нечетно, то на первой сравнительно длинной стадии развивается один центральный пузырь; этот случай в принципе повторяет сценарий развития единичного пузыря. Если к0 четно, то сначала развивается пара центральных пузырей, попеременно обгоняя друг друга. Описание подобной квазипериодичной пространственно-временной структуры в рамках других более простых моделей затруднительно. При запуске "пузырей" в разное время, что более соответствует действительности, картина развития такой системы еще более усложняется. Однако всегда весь процесс можно разбить на последовательные этапы, на каждом из которых развиваются либо один, либо два "пузыря", а остальные "пузыри" либо совсем подавляются, либо временно останавливаются в своем развитии. Таким образом, при богатом засеве ионосферы малыми возмущениями при самых благоприятных условиях для механизмов неустойчивостей можно наблюдать не более двух развитых "пузырей" одновременно.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Построен и апробирован ряд многомерных электродинамически согласованных численных моделей для анализа нелинейной динамики среднеыасштабных неоднородностей F-области ночной экваториальной ионосферы, позволяющих воспроизводить следующие явления:

а) суточный ход и трехмерную пространственную структуру таких плазменных характеристик F-области, как концентрация заряженных частиц, их скорости дрейфа, температура, основанные на использовании общепринятой эмпирической модели нейтральной атмосферы fEIS;

б) • на фоне этой ионосферной среды - искусственную или естественную генерацию среднемасштабных неоднородностей верхней атмосферы с дальнейшим их морфогенезом в плазменные неоднородности и трехмерную нелинейную эволюцию возникающих плазменных "пузырей" и "облаков",

2. Впервые численно изучены следующие механизмы каскадной инициализации "пузырей" '

а) искусственные плазмообразуюшие' выбросы • бария в нижележащем Е-слое в принципе позволяют организовать удаленный по долготе и с низких высот запуск ионосферного ночного экваториального F-рассеяния;

б) внутренние гравитационные волны, в нейтральной атмосфере, дошедшие до высот F-области, при благоприятных

условиях способны раскачать заряженные ионосферные

/

компоненты с последующим возникновением ионосферного ночного экваториального F-рассеяния.

3. Впервые численно изучены следующие важные эффекты,-сопровождающие нелинейный процесс эволюционирования вполне развитых "пузырей":

а) учет трехмерных факторов, в частности .таких, как продольная амбиполярная диффузия и замыкание электрического тока, текущего по цепи силовые линии - нижележаашй Е-слой, приводит к существенному ослаблению интенсивности развития "пузырей";

б) включение теплопроводности ионов и электронов в ионосфере показывает, что на динамику развития "пузырей" определяющее влияние оказывает исключительно электродинамические процессы, причем джоулев нагрев может довести температуру плазмы до 10000 К ;

в) многоионнооть ионосферной плазмы дает один из правдоподобных механизмов наличия тяжелых ионов в слишком высокой для них области внешней ионосферы, а инерционность -один из механизмов разрыва ножки "пузыря" и нарушения его симметрии;

г) рассмотрение нескольких взаимодействующих между собой "пузырей" моделирует механизм естественного отбора, благодаря которому в ионосфере не может одновременно появиться больше двух сильно развитых пузырей, причем два сильно развитых пузыря могут сосуществовать лишь в течение короткого времени.

Список работ автора по материалам диссертации

1. Андреева A.C., Кащенко Н.М. , Мациевский C.B., Никитин М. А. Численные модели развития неустойчивости Рэлея-Тейлора в экваториальной F-области. // Математическое моделирование в естествознании и технологии. Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара молодых ученых и специалистов. Калининград. 1988. С. 5.

2. Ерохин Н. С., Кащенко Н. И., Мациевский С. В., Никитин М. А. Тепловой режим внутри ионосферных пузырей. // Космические исследования. 1990. Т. 28. Вып. 1, С. 83-93.

3. Ерохин Н.С., Кащенко H. М., Кшевецкий С.П., Мациевский С. В., Никитин М. А. Резонансное возбуждение термосфершяш волнами неустойчивости ' Рэлея-Тейлора в экваториальной ионосферной плазма. . Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой. Тезисы докладов V-ß конференции. Ташкент. 1989. С. 18S.

4. Ерохин Н. С., Кащенко H. М., Кшевецкий С. П., Мациевский С. В., Никитин М. А. . Резонансное возбуждение внутренними гравитационными волнами рзлей-тейлоровских ионосферных пузырей в ночной экваториальной F-области. - М. : ИКИ АН СССР. Пр-1584. 1989. 15с.

5. Гайдуков Б.Ю., Кащенко Н.М., Мациевский С.В., Никитин Ы.А., Романовский Ю. А. Запуск экваториальных пузырей путем кодификации Е-слоя.. // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31. 6. С. 1042-1048.

i. Кащенко H. M. -, Киевецкий С, П., Мациевский С. В., üwimiH M. А. // Резонансная генерация ионосферных пузырей шутреннимя гравитационными волнами. // Геомагнетизм и юрономия. 1890. Т. 30. 3. С. 446-451.

Кащенко H. М., Мациевский С. В., Никитин М. А. Динамика системы множественных Рзлэй-Тейлоровских ионосферных lyoupeíi. // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30. 2,

J. 281-280.

3. Кащенко H. М,, Мациевский С. В., Никитин М. А. Исследования нелинейной стадии развития неустойчивости Рэлея-ТеЯяора в зкваториальной F-области с учетом продольной диффузии и педерсеновской проводимости E-oíласти. // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. 4, С. 577-582.

Э. Мациевский C.B. Изучение характерных особенностей развития неустойчивости Рэлея-Гейлора в экваториальной F-области, // Труди XII конференции молодых ученых. Деп. ВИНИТИ. Q379-B. 1987. C.S-8.

10. Мациевский С. В., Кащенко Н.М. , Никитин М. А. Ионосферные пузыри: ионный состав, скорости движения плазмы и структура. // Известия вузов. Радиофизика. 1889. Т. 33. 11. С. 1320-1329.

И, Мациевский C.B., Някитйй М, А., Пец A.B. // 0 нелинейной стадий развития ' неустойчивости Рзлая-Тейлора в экваториальной F-области. // Геомагнетизм и аэрономия. -1987. -Т;27. - 6. - С, 921-924.

12. Erokhin N.. Kaschenko H.M.. Hatsievsky S. V., Nikitin M. J Dynamics of Ionospheric Rayleigh-Taylor Instability with PIa: ma Heating inside Bubbles. // Nonlinear World. Proceedings oi the IV International Workshop on Nonlinear Processes in Ph; sics. Kiev. 1989. Vol.2. P.'87-91.

13. Erokhin N., Kaschenko N. M.. Matsievsky S. V., Nikitin M. A, Selforganization of Rayleigh-Taylor Bubbles System.// Nonlinear World. Proceedings of the IV International Workshop on Nonlinear Processes in Physics. Kiev. 1989. Vol.2. P.92-93.

14. Erokhin M.S., Katsievskii S.V. and Nikitin M. A. About Numerical Simulation of Plasna Bubbles Nonlinear Dynamics at F-layer of Earth Ionosphere. // XXIII General Assembly of the International Union of Radio Science C URSI), Abstracts. Prague. 1990. Vol.2. P. 534.

15. Erokhin U.S. . Kaschenko N.M., Matsievsky S. V., Nikitin M. A. Nonlinear Development of Holes in the Ionospheric Plasma Layer tasdter Triggering of Rayleigh-Taylor Instability by Internal <3ravity Wave. // Annales Geophysicae . Supplement to Volusia 9. 1991. V. 9. P. 557-558.

055/02/2 Ротапринт ИКИ PAH

Москва. 117810. Профсоюзная, 84/32

Подписано к печати 11.03.92

Заказ 207& Формат 70x108/32 Тираж 100 1,1 уч. изд. л.