Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкие исследования космическими и наземными средствами газовых оболочек небесных тел ( планет, их естественных спутников, комет ) обусловливают развитие математи -ческого моделирования планетных и кометных атмосфер как для изучения их фундаментальных свойств, так и с целью более полной интерпретации все возрастающего объема экспериментальной информации.
Математическое моделирование столкновительных физико-химических процессов, определяющих структуру, динамику и энергетику планетных и кометных атмосфер, проведение численных экспериментов с целью выявления закономерностей в поведении атмосферных параметров, их количественного описания и прогнозирования состояния среды относится к вопросам прикладной аэрономии как к одному из разделов вычислительной физики. В этом разделе исключительно важную роль играет изучение кинетики неравновесных процессов.
Изменения физических и химических свойств разреженного атмосферного газа вследствие инициируемых воздействием электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца физико-химических процессов являются, в конечном итоге, статистическими проявлениями элементарных актов обмена поступательной и внутренней энергией между частицами газа - столкновений. Следовательно, для исследования неравновесной кинетики столкновительных процессов в планетных и кометных атмосферах необходимо связать микроскопический уровень описания газа ( динамика и вероятности столкновений ) с макроскопическим уровнем описания состояния атмосферного газа. Такое описание возможно на уровне функций распределения, подчиняющихся кинетическим уравнениям.
Сложная кинетическая природа явлений в разреженном атмосферном газе требует учета большого числа столкновительных процессов, а следовательно, и анализа сложной системы кинетических уравнений больцмановского типа. Возникает проблема выбора оптимальной физической модели, которая должна, с одной стороны, удовлетворять требованию полноты учета основных исследуемых явлений, а с другой стороны - допускать возможность математического анализа и получения решения с необходимой для практики точностью.
Прямое решение кинетических уравнений больцмановского типа чрезвычайно трудоемко и далеко не всегда возможно. В свою очередь статистический характер эволюции ансамбля частиц разреженного газа позволяет использовать разновидность вычислительного экспери-
4 мента - стохастическое моделирование - как эффективное средство решения задач физико-химической кинетики, имеющих вероятностную природу.
Стохастическое моделирование представляется как численная реализация на ЭВМ физико-вероятностного аналога ( стохастической модели ) исследуемого физического явления.
Цель работы. Развитие кинетического подхода при математическом моделировании газовых оболочек небесных тел включает:
разработку и практическую реализацию методики вычислительного эксперимента на основе метода численного стохастического моделирования неравновесных кинетических систем для решения задач прикладной аэрономии;
построение и алгоритмическую реализацию численных кинетических моделей внешних энергетических ( фотолитическое и ударное электронное ) воздействий на разреженный атмосферный газ; структурных стохастических моделей атмосферной фотохимии; численных кинетических моделей переноса энергетически активных частиц в атмосфере;
проведение численного моделирования кинетики и динамики энергетически активных ( сверхтепловых, возбужденных и ионизованных ) частиц фотохимического происхождения в разреженных газовых оболочках небесных тел;
построение кинетической модели сверхтепловых ( "горячих" ) атомов кислорода и азота в термосфере Земли и количественное исследование их вклада в фотохимию и энергетику;
создание численной кинетической модели внутренней комы кометы.
Научная новизна.
Предложен и развит кинетический подход на основе метода численного стохастического моделирования для исследования неравновесных физико-химических процессов в разреженном газе планетных и кометных атмосфер. Данный подход заключается в построении численных стохастических моделей, асимптотически эквивалентных исходному описанию кинетики столкновительных физико-химических процессов на микроскопическом уровне.
Построен численный метод исследования кинетики и динамики энергетически активных частиц, в существенной степени определяю-щиз: физико-химическую структуру, динамику и энергетику в газовых оболочках небесных тел. Данный численный метод включает кинетические модели:
фотолитического и ударного электронного воздействий на атмосферный газ;
атмосферной фотохимии с различной степенью детализации описания теплового состояния компонент;
- переноса энергетически активных частиц между различными
областями атмосферы.
Данные численные модели представляют собой основные элементы вычислительного эксперимента, рассматриваемого как средство численного моделирования на ЭВМ кинетических проблем аэрономии планетных и кометных атмосфер.
При помощи разработанной методики исследована локальная кинетика энергетически активных частиц фотохимического происхождения в верхней атмосфере Земли. Решена одна из важных проблем физики Еерхней атмосферы - построена кинетическая модель сверхтепловых атомов 0 и N в термосфере; в частности, определены:
энергетические спектры производства сверхтепловых атомов О и N при диссоциации молекулярных составляющих КУФ и мягким рентгеновским излучениями Солнца и сопутствующими потоками высокоэнергичных ( вплоть до 103эВ ) фотоэлектронов, а также, в экзотермических химических реакциях;
энергетические спектры стационарного состояния сверхтепловых атомов 0 и N, формирующегося при упругой релаксации и химическом взаимодействии с основными компонентами термосферы.
Используя эти стационарные распределения, рассчитаны коэффициенты скорости реакций нетепловых атомов 0 и N с основными компонентами термосферного газа. Их значения значительно превышают равновесные величины, что приводит к существенному вкладу нетепловых атомов, несмотря на их относительно малые концентрации, в фотохимию и энергетику. Показано, что вклад реакции нетепловых атомов N(4S) с 0, приводит к росту концентрации N0 в нижней термосфере на величину ~ 60-80 , что существенно отражается на энергетике ( из-за ИК- выхолаживания в эмиссии N0 5. 3 мкм ).
Впервые строго исследована динамика и кинетика энергетически активных частиц фотохимического происхождения во внутренней коме кометы. Построена кинетическая модель слоя Кнудсена для кометного ядра и определены газодинамические граничные условия на внешней границе ( ~ 10 - 15 длин свободного пробега ) пристеночного слоя.
Показано, что функции распределения продуктов фотолиза паров воды ( гидроксила и атомарного водорода ) значительно отличается от равновесных максвелловских распределений и, соответственно,
радиальные профили макропараметров этих компонент существенно отличаются от газодинамических решений ( наблюдается отрыв скоростей разлета этих нетепловых компонент от скорости разлета основной компоненты комы - паров воды ). Основная компонента комы также характеризуется нарушением теплового равновесия уже на небольших расстояниях от ядра ( порядка нескольких километров ), в частности, наблюдается анизотропия температур, связанных с продольными и поперечными хаотическими движениями молекул веды при разлете.
Детальный кинетический анализ фотохимии показал, что внутренняя кома кометы средней яркости на гелиоцентрическом расстоянии 1 а. е. представляет собой слобоионизованную ( ~ 10~9 - 10"3 ) разреженную газовую среду, доминантной нейтральной составляющей которой является водяной пар с малыми примесями ( ~ 1СГ5 - 10"2 ) химически активного радикала ОН и атомов II и 0, а доминантными ионами - ионы гидроксония и воды.
Практическая значимость.
Изложенный в диссертационной работе кинетический подход и соогветствующие разработки методики вычислительного эксперимента используются для решения ряда задач прикладной аэрономии и геофизики. Наиболее важные приложения данного подхода связаны с:
включением результатов кинетического моделирования в разработки референтных теоретических моделей газовых оболочек небесных тел, а также в модели прогноза состояния атмосферного газа;
использованием численных методик и результатов моделирования при интерпретации данных космических и наземных программ исследования физики верхней атмосферы;
оценкой эффектов антропогенной нагрузки и, соответственно, экологической обстановки в верхней атмосфере Земли.
Результаты кинетического моделирования внутренней комы кометы использовались при обработке и интерпретации данных международной программы по исследованию кометы Галлея ( кинетические оценки реактивной силы и параметров газа во внутренней коме ).
Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на V-IX Всесоюзных конференциях по динамике разреженных газов (1978, 1979,1980,1985,1987 гг.); на II Всесоюзном совещании по аэрофизическим исследованиям ( 1979 г. ); на V, VI и VII Всесоюзной школе-семинаре "Численные методы в механике сплошной среды" под рук. акад. Н. Н. Яненко ( 1979,1981,1985 гг. ); на Всесоюзных совещаниях
7 "Проблемы физики верхней атмосферы и динамики ИСЗ" ( 1981, 1983, 1985,1987,1989 гг.); на Международных совещаниях по программе Интеркосмос "Современные результаты исследования верхней атмосферы по наблюдениям ИСЗ" ( 1981, 1982 и 1935 гг. ); на 13-ом и 17-ом Международном симпозиуме "Динамика разреженного газа" ( 1982,1990 гг. ); на XXVII и XXVIII сессиях КОСПАР ( 1988,1990 гг.); на XIV, XV и XVII ассамблеях Европейского геофизического общества ( 1989, 1990,1992 гг.); на 28-ом Международном Льежском астрофизическом коллоквиуме ( 1989 г. ); на Международном симпозиуме "Исследования средней атмосферы" < 1989 г. ); и на научных семинарах, руководимых акад. 0. М. Белоцерковским (ВЦ РАН), чл.-корр. М. Я. Маровым (ИПМ РАН), проф. Л. С. Полаком (ИНХС РАН), докт. физ.-матем. наук Н. В. Масленниковым (ИПМатем. РАН), проф. М.Н.Власовым (ИПГ Госкомгидромет).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в монографии [11 и работах [2-301.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и иллюстраций. Она содержит 248 стр. текста, 50 рисунков и таблиц, и библиографию из 267 наименований.