ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИКО-ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН И ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ НАЗЕМНЫХ И АТМОСФЕРНЫХ ИСТОЧНИКОВ :

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ... 5

ГЛАВА I. ВОЛНООБРАЗНЫЕ ДВИЖЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

1.1. Акустико-гравитационные волны в земной атмосфере... 20

1.2. Механизмы генерации акустико-гравитационных волн... 27

1.3. Ионосферные волновые возмущения, генерированные мощными источниками... 31

ГЛАВА II. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ

2.1. Уравнения геофизической гидродинамики, описывающие 46 распространения волн в атмосфере...

2.2. Разработка численного алгоритма для решения уравнений... 52

2.3. Моделирование ионосферных возмущений, генерированных 62 прохождением атмосферных волн...

2.4. Краткое содержание главы. Основные выводы... 66

ГЛАВА III. МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ И ИОНОСФЕРНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ НАЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ

3.1. Включение наземных импульсных источников в модель... 67

3.2. Генерация и распространение акустико-гравитационных волн, 69 вызванных наземными импульсными источниками...

3.3. Моделирование возмущений ионосферы наземными 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

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АВ - акустические волны

АГВ - акустико-гравитационные волны

БВ - Брента-Вяйсялья

ВА - верхняя атмосфера

ВГВ - внутренние гравитационные волны

ВОД - включение основного двигателя

ИСЗ - искусственный спутник земли

KB - коротковолновой

МТВ - мезосферно-термосферный волновод

НДЗ - наклонное доплеровское КВ зондирование

НЧА - низкочастотные акустические волны

ОНЧ - очень низкая частота

ПИВ - перемещающиеся ионосферные возмущения

ПЭС - полное электронное содержание

УАВ - ударно-акустическая волна

УВ - ударные волны

УКВ - ультракороткая волна

4

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В конце XIX века ученые начали обращать внимание на то, что сила тяжести и стратификация геофизических сред сильно модифицируют распространяющиеся в них звуковые волны. С тех пор начались первые теоретические исследования свойств распространения АГВ в атмосфере. Наряду с этим, с развитием радиотехнических средств, в середине XX столетия начались наблюдения ПИВ. Впервые в 1960м году ПИВ были интерпретированы как проявления АГВ в ионосфере. С тех пор с помощью различных методов ведутся интенсивные наблюдения АГВ в нижней и верхней атмосфере. В 90-х годах, с развитием дистанционных методов зондирования ионосферы с помощью спутников, начался новый «бум» в области исследования ионосферных возмущений. 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

5

5

признаков техногенных воздействий (запуски ракет, несанкционированные взрывы и подземные ядерные испытания). Кроме того, результаты этих работ могут быть использованы для идентификации откликов от цунами и предвестников землетрясений в ионосфере.

Несмотря на огромное количество экспериментальных данных, лишь в относительно небольшом количестве работ были сделаны попытки с теоретических позиций объяснить наблюдаемые возмущения в атмосфере и ионосфере от наземных и атмосферных источников. Следует отметить, что работы в данном направлении сыграли существенную роль в понимании механизма связей в системе литосфера - атмосфера - ионосфера. Эти исследования внесли большой вклад в развитие теории распространения АГВ в атмосфере и т.д. Несмотря на это, до настоящего времени отсутствует полная интерпретация данных наблюдений. Как правило, в предшествующих теоретических работах АВ, ВГВ, нелинейность среды, влияние вязкости, стратификации и зонального ветра на распространение волн рассматривались обособленно друг от друга. В результате этого, ни одна из существующих моделей не может объяснить весь спектр атмосферных и ионосферных возмущений, возбуждаемых источниками разной природы. Что касается моделирования атмосферных волновых возмущений, генерированных во время сверхзвукового движения ракет, то эта задача интересна еще и тем, что здесь мощный источник возбуждения находится прямо в верхней атмосфере.

В последнее десятилетие в связи 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.

6

6

Цели работы:

• Разработка численного метода для моделирования распространения АГВ с конечной амплитудой на большие горизонтальные и вертикальные расстояния;

• Моделирование генерации АГВ и волнообразных ионосферных возмущений от разного типа источников: наземных импульсных и длиннопериодных источников, сверхзвуковых полетов ракет;

• Сопоставление результатов моделирования с данными наблюдений.

Новизна результатов:

• Предложена система уравнений геофизической гидродинамики и граничные условия, позволяющие провести численное моделирование генерации и распространения АГВ от источников разной природы;

• Разработан численный алгоритм для решения системы уравнений вместе с соответствующими начальными и граничными условиями с помощью конечно-разностного метода;

• Промоделирована генерация волн от разного типа источников: сильных землетрясений, подземных ядерных взрывов, поверхностных волн Рэлея, длиннопериодных наземных источников, сверхзвуковых движений ракетоносителей;

• Впервые с помощью конечно-разностного метода были получены вместе две ветви спектра акустико-гравитационных волн - акустические волны и внутренние гравитационные волны;

• Впервые были построены кривые чувствительности (отклика) нейтральной атмосферы на воздействие поверхностных источников с разными периодами;

• Впервые были промоделированы волнообразные вариации электронной плотности в ионосфере с учетом геомагнитного поля на больших

7

7

временных и пространственных масштабах, генерированные вышеуказанными источниками;

• Впервые с помощью разработанной модели были интерпретированы возмущения полного электронного содержания в ионосфере по разным направлениям лучей, связывающих спутники и приемники.

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»

8

(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.

9

9

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.

10

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

и

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 параграфе перечислены основные результаты, полученные во второй главе.

В третьей главе рассматриваются включение наземных источников в представленную модель, анализ полученных результатов для нейтральной

12

атмосферы и ионосферы и сопоставление их с экспериментальными данными. Глава разделена на 6 параграфов.

В первом параграфе приведена постановка задачи для моделирования литосферно-ионосферной связи. Наземный импульсный источник рассматривался как поршнеобразный источник, который действует на атмосферу. Чтобы включить этот источник в данную модель, необходимо задать скорость движения частиц воздуха на высоте поверхности земли в окрестности эпицентра источника. Отсюда следует, что для вертикальной компоненты (горизонтальные перемещения не учитываются) скорости граничное условие будет условием сшивания над твердой поверхностью земли. При выборе значений этих параметров, мы учитывали то обстоятельство, что на практике определить точные значения параметров импульса возмущения не так просто, и они зависят от конкретного случая. Но так как нашей главной целью является изучение общих свойств возмущений от таких источников, мы принимали некоторые приближенные значения параметров источника. Что касается наземных промышленных взрывов, то их можно учитывать в нашей модели с помощью задания эквивалентного подземного источника.

Во втором параграфе представлены основные результаты, полученные при решении исходных уравнений для наземного источника с вышеперечисленными параметрами. Таким образом, система уравнений вместе с начальными и граничными условиями решалась с помощью составленного нами пакета компьютерных программ. Параметры расчетной сетки были выбраны следующие: шаг по высоте 5 км, по горизонтальной координате 10 км и 0.1 сек по времени. Размеры моделируемой области составляли 4000 км и 500 км по ширине и высоте, соответственно.

Как известно, стратификация температуры и зональный ветер влияют на распространение АГВ в атмосфере. Чтобы отделить эти влияния друг от друга, мы поэтапно рассматривали разные варианты модели атмосферы в

13

наших вычислениях. Изотермический случай интересен тем, что он позволяет сравнить результаты моделирования с предшествующими работами в этой области. Как показывает сравнение, период, фазовая и групповая скорости, линейный рост периода ВГВ и т.д. полученные нами для изотермической и безветренной атмосферы, подтверждаются результатами предыдущих работ. Кроме того, как показывают результаты, данная модель хорошо описывает такие нелинейные эффекты, как укручение профиля волны и т.д. Таким образом, тестирование численной модели показало, что она обладает приемлемой точностью.

Из полученных результатов видно, что период ВГВ растет от 300 сек до 1200 сек линейно по мере удаления от источника в горизонтальном направлении. Эта связано с тем, что волны с большими периодами движутся наклонно к вертикали. Период акустических волн около 200 сек. Точка насыщения, т.е. высота максимальной амплитуды АГВ находится на высоте около 200-250 км. Вертикальная скорость, возмущения плотности, давления и температуры в волне, также показывают подобную зависимость. Для АВ вертикальная скорость, а для ВГВ горизонтальная скорость играют доминирующую роль.

В третьем параграфе приведены результаты вычислений ионосферных возмущений, вызванных наземными импульсными источниками. Здесь представлены пространственные распределения вариации электронной плотности в ионосфере через некоторое время после землетрясения или взрыва. После толчка в течении 15 мин возмущение доходит до верхней атмосферы. Учет зонального ветра нарушает симметрию отклика атмосферы и ионосферы. Здесь наблюдаются среднемасштабные ПИВ с длинами волн около 100 км, распространяющиеся от источника с горизонтальной фазовой скоростью около 300 м/с.

Проведенные исследования показали сильную качественную и количественную модификацию ионосферного отклика при изменении

14

ориентации геомагнитного поля. Когда магнитное поле имеет заметную вертикальную компоненту, получается совсем другая картина. Эти результаты могут быть также применены к интерпретации атмосферных возмущений вызванных наземными взрывами.

Что касается данных, полученных при трансионосферном зондировании верхней атмосферы сигналами спутниковой радионавигационной системы GPS, то анализ полученных результатов показывает, что характеристики этих сигналов сильно зависят от месторасположения приемника, угла места спутника и т.д. Как показывают наши результаты, диапазон частот этих возмущений может быть очень широким. Анализируя результаты, мы увидим, что этот график качественно хорошо описывает высокочастотные (период «200 с) возмущения вертикального ПЭС (т.е. угол места спутника

о

0=90 ), зарегистрированные некоторыми наблюдателями во время сильных землетрясений. Когда приемник находиться на расстоянии 800 км от источника, здесь видны ВГВ с периодом приблизительно 1000 с. Длиннопериодные колебания в ионосфере, рассчитанные нами, наблюдались с помощью томографического метода, доплеровским зондированием и др. методами во время землетрясений и взрывов. Периоды волн, горизонтальные фазовые и групповые скорости распространения волн в нашей модели и экспериментальных данных почти совпадают.

В четвертом параграфе представлены результаты моделирования возбуждения атмосферы и ионосферы от длиннопериодных наземных источников. Как известно, неглубокие землетрясения генерируют длинные поверхностные волны Рэлея, которые распространяются на большие расстояния. В модели в качестве источника бегущей волны Рэлея предполагалась одиночная синусоидальная волна с периодом 50 с и длиной волны 70 км, которая распространяется со скоростью 1400 м/с по поверхности земли. Для амплитуды скорости вертикальных колебаний земной поверхности принималось значение wm= 1 мм/с. В этом случае

15

генерированные ПИВ распространяются со сверхзвуковой фазовой скоростью. Амплитуда возмущения электронной плотности такого же порядка, как в случае импульсного источника. По периодам атмосферные волны, генерированные волнами Рэлея, принадлежат к высокочастотным АВ. Этот результат подтверждается результатами аналитических вычислений, проведенных в ранних работах.

Кроме того, в природе существуют длиннопериодные источники, такие как цунами, колебания земной поверхности и т.д. Длиннопериодные колебания земной поверхности могут быть основным механизмом генерации ВГВ в сейсмически активных регионах. С этой целью мы брали источники с амплитудой 1 мм/с, но с разными периодами. Анализ отклика нейтральной атмосферы на такие источники показывает, что роль ВГВ в отклике растет с ростом периода источника. Результаты показывают, что в зависимости от расстояний в горизонтальном и вертикальном направлениях от источника, чувствительность атмосферы существенно меняется. Очевидно, что над эпицентром источника отклик нейтральной атмосферы имеет максимум на частоте Брента-Вяйсяля. Максимум отклика смешается в сторону длинных периодов с удалением от источника в горизонтальном направлении. Что касается амплитуды возмущений, то они сравнимы с откликами в случае импульсных источников, несмотря на то, что амплитуды источников отличаются в 104 раз. Таким образом, длиннопериодные наземные источники способны генерировать интенсивные ВГВ в атмосфере в больших масштабах. Если учесть, что в сейсмически активных регионах протяженность таких источников велика, тогда очевидно, что они могут сильно возбудить верхнюю атмосферу, и их можно зарегистрировать традиционными радиофизическими методами.

В пятом параграфе приведены результаты трехмерного моделирования атмосферных возмущений от импульсных источников. В трехмерном случае система уравнений будет иметь аналогичный вид, но с добавлением

16

компоненты скорости в другом горизонтальном направлении. К сожалению, большие затраты памяти компьютера и времени расчета ограничивают возможности решения трехмерной задачи и обработки полученных результатов. Поэтому здесь представлены результаты, полученные на более грубых разностных сетках в меньшей пространственной области. Из результатов видно, что в области над источником наблюдается акустический купол, и расходящиеся от него ВГВ. В трехмерном случае из-за геометрического расхождения наблюдается более сильное затухание волн. В шестом параграфе представлено краткое содержание данной главы.

В четвертой главе представлены результаты работ по моделированию генерации АГВ и ионосферных возмущений, генерированных во время полета ракет. Глава разделена на 4 параграфа.

Первый параграф посвящен анализу свойств УВ, излучаемых сверхзвуковыми полетами ракет. Общеизвестно, что генерация АГВ происходит в основном во время горизонтального сверхзвукового полета ракеты после запуска. При сверхзвуковом обтекании ракеты на больших расстояниях от нее вызываемые ею возмущения слабы, и поэтому их можно рассматривать как цилиндрическую звуковую волну, расходящуюся от оси, проходящей через ракету параллельно направлению обтекания. Мы ввели источник возмущения в расчетную модель следующим образом: пусть вертикальная координатная плоскость перпендикулярна к траектории горизонтального полета ракеты. Предположим, что с левой границы в расчетную область входит одиночный сильно нелинейный акустический импульс, который далее превращается в пакет АГВ. Цилиндрический звуковой импульс в первом приближении можно аппроксимировать с помощью функции Гаусса. Таким образом, акустический импульс вводиться в модель в форме, заданной нами. Значения плотности и температуры в волне можно вычислить с помощью формул, описывающих простые нелинейные акустические волны. Эти граничные условия обеспечивают передачу

17

возмущения от среды вокруг траектории ракеты в рассматриваемую нами область атмосферы. Что касается моделирования второй области атмосферы, находящейся слева от траектории ракеты, то в этом случае такие же граничные условия будут на правой границе расчетной области. Граничные условия на других стенках области будут аналогичными, как и в случае для наземных источников.

Второй параграф посвящен результатам моделирования генерации АГВ от звукового цилиндра вокруг сверхзвуковой ракеты. Здесь мы принимали приближенные значения для параметров акустического импульса. Результаты моделирования показывают, что в этом случае генерируется широкий спектр волн - АВ, ВГВ и захваченные АГВ. Основной отклик - это длиннопериодные волны. Примечательным фактом является то, что скорость распространения возмущений близка к скорости звука в термосфере, около 800 м/с. Как и в предыдущих случаях, горизонтальный ветер слабо влияет на характер отклика.

В третьем параграфе приведены результаты вычислений ионосферных волнообразных возмущений, генерированных во время полета ракет. В этом случае в ионосфере генерируются крупномасштабные ПИВ с масштабами сотни километров. В области мезосферно-термосферного волновода видны захваченные волны, которые не появляются в решении, если принимать атмосферу изотермической. Сравнение результатов с данными радиотомографических реконструкций, полученных во время запуска ракеты с космодрома Плесецк в 1991 г., показывает, что данная модель качественно описывает пространственные свойства ионосферных возмущений от такого рода источников. Кроме того, низкочастотные ВГВ, предсказанные данной моделью, наблюдались также с помощью методов некогерентного рассеяния, доплеровского зондирования и т.д. во время запусков ракет с космодромов Байконур и Kennedy Space Center. Что касается данных по вариации ПЭС, здесь модель также предсказывает появление N-образного возмущения по

18

времени. В четвертом параграфе представлено краткое содержание данной главы.

В Заключении сформулированы основные выводы, полученные в ходе выполнения данной работы.

19

ГЛАВА I. ВОЛНООБРАЗНЫЕ ДВИЖЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

1.1. Акустико-гравитационные волны в земной атмосфере.

Движение нейтрального газа в земной атмосфере состоит в основном из следующих видов: преобладающие ветры или общая циркуляция, внутренние волны, турбулентность и т.д. К волновым движениям относятся АГВ, приливы, планетарные волны. АГВ являются одними из основных волновых движений земной атмосферы. Семейство АГВ - это модифицированные звуковые волны в поле тяжести земли.

Впервые дисперсионное уравнение для АГВ в линейном приближении для недиссипативной атмосферы было получено в работе (Hines, 1960): со4 -со2с2(к2 +k2z)+{y-\)g2k2x + co2y2g24c2 =0 (1.1)

где со- угловая частота, c— скорость звука, у— отношение удельных теплоемкостей воздуха, g- ускорение свободного падения, kx и ky

горизонтальное и вертикальное волновое числа, соответственно. Из (1.1) получается, что в решении присутствуют два типа волн: акустические волны с частотой со соа и внутренние гравитационные волны с частотой со

Где:

®а=т12с cog=Jy~^\g/c (1.2)

Первая это - частота акустического обрезания, вторая - частота БВ. Величина соа есть резонансная частота всей атмосферы для акустической

моды, когда возвращающая сила вызвана сжатием, а cog есть частота

резонанса для смещенного объема воздуха внутри атмосферы, когда возвращающая сила является выталкивающей силой Архимеда при всплывании (Данилов и др., 1987). Если частота волны много больше частоты БВ, как и в случае обычной звуковой волны, то эффектом

20

Список литературы