Введение к работе
Актуальность проблемы
Изучение электродинамических процессов, протекающих в приземном слое, является одним из перспективных направлений физики атмосферы. Известно, что приземный слой характеризуется турбулентными течениями и конвективным переносом, поверхностными источниками ионизации (радиоактивности), присутствием аэрозольных частиц, оказывающими при достаточной концентрации существенное влияние на электрическую структуру приземного слоя. Электрические характеристики атмосферы могут служить параметрами контроля её общего состояния. Несмотря на большое количество работ по данному направлению, на сегодняшний день остаются недостаточно исследованными механизмы влияния аэрозольного и радиоактивного загрязнений атмосферы на пространственно-временные электродинамические структуры в приземном слое при различных метеорологических и физических условиях. В связи с этим возникает необходимость развития нестационарных математических моделей электродинамических процессов в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы, что поможет развитию представлений о механизмах возникновения вариаций электрического поля вблизи поверхности земли локального и глобального происхождений и разработке новых методов контроля антропогенного воздействия на атмосферу. Остается не выясненным ряд вопросов о механизмах формирования электрической структуры приземного слоя при наличии в нем многократно заряженных аэрозольных частиц. Получение точных аналитических решений уравнений электродинамики невозможно в силу очевидных математических трудностей, поэтому для теоретических исследований целесообразно развивать и применять численные методы математического моделирования.
Цель диссертационной работы состоит в построении и исследовании математических моделей, разработке эффективного алгоритма их решения и комплекса компьютерных программ, позволяющих исследовать электродинамические процессы в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы. Для достижения поставленной цели решены следующие научные задачи:
Разработаны нестационарные электродинамические модели горизонтально-однородного приземного слоя с учетом многократно заряженных аэрозольных частиц в атмосфере.
Построены численные модели электродинамического состояния турбулентного и конвективно-турбулентного приземного слоя при наличии аэрозольных частиц в атмосфере.
Выполнены аналитические исследования погрешности аппроксимации, устойчивости и консервативности дискретных электродинамических моделей приземного слоя атмосферы.
Создана программная реализация электродинамических моделей на языке высокого уровня С#.
5. Исследована электродинамическая структура приземного слоя атмосферы в зависимости от метеорологических и физических условий. Научная новизна работы
Разработаны математические модели электродинамических процессов для турбулентного и конвективно-турбулентного приземного слоя, отличающиеся от известных моделей учетом аэрозольного загрязнения атмосферы, позволяющие моделировать пространственно-временные распределения атмосферно-электрических параметров в зависимости от степени ионизации воздуха, напряженности электрического поля, размера аэрозольных частиц и числа зарядов на них.
Построен эффективный алгоритм численного решения нестационарных электродинамических уравнений на основе двухпараметрического семейства схем с весами, обеспечивающий выполнение законов сохранения на дискретном уровне и устойчивость относительно начальных и граничных данных.
Разработан программный комплекс для моделирования электродинамики приземного слоя в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы, который дает новые возможности анализа данных наземных атмосферно-электрических наблюдений.
Получены пространственно-временные профили концентраций положительных и отрицательных легких и тяжелых ионов, напряженности электрического поля, электрической проводимости, плотностей тока и объемного заряда вблизи поверхности земли в зависимости от концентрации аэрозольных частиц, степени турбулентного перемешивания, скорости вертикальной составляющей конвективного переноса, степени ионизации воздуха, напряженности электрического поля у поверхности земли, размера аэрозольных частиц, числа зарядов на них.
Научная и практическая значимость работы состоит в исследовании механизмов формирования электродинамической структуры турбулентного и конвективно-турбулентного приземного слоя в зависимости от концентрации одно- и многократно заряженных аэрозольных частиц разных размеров для различных физических и метеорологических условий, результаты которых развивают теоретические представления об электродинамике приземного слоя атмосферы. Полученные в диссертационной работе положения и результаты могут быть использованы:
при построении глобальных моделей электрического состояния атмосферы, учитывающих действие локальных генераторов в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения;
для оценки антропогенного воздействия на атмосферу;
для анализа данных наземной атмосферно-электрической сети;
- при создании систем мониторинга атмосферы.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного
исследования подтверждается корректностью поставленных задач, методов их исследования и решения, а также хорошим согласованием с известными из литературы теоретическими и экспериментальными данными.
В рамках сформулированной в работе проблемы на защиту выносятся следующие результаты и положения:
Нестационарные электродинамические модели турбулентного и конвективно-турбулентного приземного слоя в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы.
Алгоритм численного решения нестационарных уравнений атмосферной электродинамики повышенного порядка точности.
Программный комплекс для моделирования электродинамических процессов в приземном слое атмосферы.
Результаты исследования электродинамической структуры турбулентного и конвективно-турбулентного приземного слоя в зависимости от концентрации одно- и многократно заряженных аэрозольных частиц в атмосфере для различных физических и метеорологических условий.
Публикации результатов и личный вклад автора.
Основные результаты диссертационного исследования изложены в 17 работах (из них 7 статей в журналах из перечня ВАК). Постановки задач выполнены совместно с научным руководителем. Автору принадлежат реализация численных моделей, их анализ, проведение расчетов и их интерпретация. Соискатель принимал участие в проведении экспериментальных исследований, используемых для верификации результатов работы модели.
Ценная помощь в математической постановке задачи моделирования и выбора численного метода решения оказана к.ф-м.н., доц. А.Г. Клово.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 12-й Международной конференции «Математические модели физических процессов» (Таганрог, 2007), Международной научно-технической конференции «Модели и алгоритмы для имитации физико-химических процессов» (Таганрог, 2008), 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Экология 2009 - море и человек» (Таганрог, 2009), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективы фундаментальной и прикладной науки в сфере медицинского приборостроения» (Таганрог, 2009), 2nd International Conference on Applied Physics and Mathematics (Kuala Lumpur, Malaysia, 2010), X Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2010), конференции молодых ученых «Миссия молодежи в науке» (Таганрог, 2010), научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-17, г. Екатеринбург, 2011), студенческой научно-практической конференции «Молодежь в науке» (Ростов н/Д, 2011), научных семинарах кафедры физики ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2008-2011).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 183 страницы, включая 47 рисунков, 15 таблиц и 13 страниц приложений. Список литературы содержит 121 наименование.
