Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Обобщение стандартной модели атмосферы Земли с учетом нелинейного электрического поля Абакумов, Сергей Юрьевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Абакумов, Сергей Юрьевич. Обобщение стандартной модели атмосферы Земли с учетом нелинейного электрического поля : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 05.13.18 / Абакумов Сергей Юрьевич; [Место защиты: Воронеж. гос. ун-т].- Москва, 2013.- 124 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-1/817

Введение к работе

Актуальность темы. Для математического моделирования земной атмосферы широко применяется стандартная модель, описывающая ее равновесное состояние под действием внутреннего давления и гравитационной силы. Численные расчеты, проведенные на основании этой модели, показали, что на высотах более 150 км над поверхностью Земли наблюдаются существенные отклонения от экспериментальных данных. В связи с этим в работе предложено обобщение стандартной модели, учитывающее действие электрического поля, и рассмотрено его применение для моделирования состояния атмосферы Земли.

Существуют как косвенные, так и прямые свидетельства, подтверждающие существование в атмосфере Земли значительных объемных зарядов и электрических полей. Так, в статье выдающегося исследователя атмосферного электричества И.М. Имянитова приводится ряд фактов говорящих о наличии сильных электрических полей в ионосфере.

Важно также отметить, что согласно результатам бортовых измерений, космические аппараты, движущиеся как на низких, так и на высоких околоземных орбитах, могут заряжаться до потенциалов порядка 1 - 10 кВ. При размере космического аппарата порядка нескольких метров, отсюда находим, что внутри него напряженность электрического поля может достигать величин порядка нескольких кВ/м.

Об этом же говорят и исследования, проведенные на орбитальной станции «Мир», располагавшейся в области F ионосферы на высоте около 390 км. Они показали, что на данной высоте напряженность электрического поля может достигать значений до 10 кВ/м.

Следует также сказать, что в результате ракетных исследований в нижней ионосфере были обнаружены сильные электрические поля, причем их происхождение до сих пор остается необъясненным фактом.

Все приведенные выше факты говорят о важности применения новых моделей для описания электрических явлений в ионосфере.

Цель и задачи исследования. Цель работы - исследовать нелинейное обобщение стандартной модели атмосферы, учитывающие действие электрического поля, для ионосферы, более точно соответствующее экспериментальным данным.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

  1. Получение обобщения модели стандартной атмосферы, учитывающего действие электрического поля, для описания которого применяется модель, основанная на классической теории Янга-Миллса.

  2. Разработка численного метода для определения оптимальных значений неизвестных параметров модели.

  3. Разработка и реализация комплекса программ, позволяющего проводить моделирование атмосферы Земли в рамках предложенного обобщения.

  4. Проведение численного моделирования распределения плотности массы по высоте для тропосферы, стратосферы, мезосферы, областей Е и F ионосферы, сопоставление полученных результатов с данными эмпирической

модели. Получение распределения плотности для интервала высот от 1000 до 2000 км.

5. Получение распределения плотности заряда по высоте для интервала высот от 0 до 2000 км. Вычисление напряженности электрического поля в области F ионосферы при помощи предложенного обобщения и сопоставление с имеющимися эмпирическими данными.

Объект исследования - атмосфера Земли; предмет исследования -нелинейная модель атмосферы Земли, численный метод определения её параметров и комплекс программ, необходимый для применения нелинейной модели.

Методы исследования. Основным методом исследования задач, поставленных в диссертационной работе, является вычислительный эксперимент с применением численного решения нелинейных дифференциальных уравнений применяемой модели и оптимизацией ее параметров.

Новизна работы состоит в следующем:

  1. Впервые предложена математическая модель атмосферы, учитывающая действие сильного электрического поля, описываемого в рамках нелинейного обобщения стандартной теории на основе классической теории Янга-Миллса. Предложенная модель представляет собой обобщение широко применяемой модели стандартной атмосферы.

  2. Разработан комплекс программ, позволяющий применять предложенное обобщение для численного моделирования характеристик атмосферы Земли.

  3. Впервые проведены численные расчеты распределения плотности массы по высоте на основе предложенной модели. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с эмпирическими данными, в то время как распределение плотности, определенное по стандартной модели, существенно отклоняется от них на высотах выше 150 км. Данные выводы могут служить серьезным аргументом в пользу предложенной модели.

Теоретическая значимость работы заключается в получении обобщения модели стандартной атмосферы Земли, учитывающей действие электрического поля, описываемого в рамках нелинейной теории Янга-Миллса, и разработке численного метода определения неизвестных параметров предложенного обобщения. Практическая значимость работы состоит в разработке комплекса программ, позволяющего определять неизвестные параметры предложенной модели и применять её для моделирования атмосферы.

Область исследования - содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.18 - "Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ" (физико-математические науки), область исследования соответствует п.1 "Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений"; п.4 "Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно - ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента"; п.6 "Разработка новых математических методов и алгоритмов проверки адекватности математических моделей объектов на основе данных натурного эксперимента"; п.7 "разработка

новых математических методов и алгоритмов интерпретации натурного эксперимента на основе его математической модели".

Основные результаты, выносимые на защиту:

  1. Физическая и математическая постановка задачи по численному моделированию атмосферы Земли при учете действия сильного электрического поля описываемого в рамках нелинейной теории Янга-Миллса.

  2. Реализация комплекса программ, позволяющего определять неизвестные параметры предложенного обобщения стандартной модели и с его помощью проводить исследование атмосферы Земли.

  3. Результаты численного моделирования распределения плотности массы по высоте для тропосферы, стратосферы, мезосферы, областей Е и F ионосферы, а также атмосферы в интервале высот от 1000 до 2000 км для ряда случаев с различными значениями географических координат, даты и времени суток.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XVII Международная
конференция по вычислительной механике и современным прикладным
программным системам, Украина, Алушта, 2011; Научная конференция
МГУПИ «Актуальные проблемы приборостроения, информатики и социально-
экономических наук», Россия, Москва, 2011; XIV Международная научно-
практическая конференция, посвященная 75-летию МГУПИ
«Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики»,
Россия, Москва, 2011; XV Всероссийская научно-техническая конференция
«Новые информационные технологии», Россия, Москва, 2012; Международная
конференция по теоретической физике, Россия, Москва, МГОУ, 20-23 июня
2011; XLVIII Всероссийская конференция по проблемам физики частиц,
физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, Россия, г. Москва,
15-18 мая 2012 г; Семинар "Вычислительные методы и математическое
моделирование", Россия, г. Москва, ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 16 января
2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы три статьи в научных рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, шесть статей в сборниках трудов научных конференций и параграф в монографии.

Личный вклад автора. Автор участвовал в разработке предложенного обобщения модели стандартной атмосферы и полностью разработал и реализовал комплекс программ, необходимый для проведения моделирования. Автор лично проводил все расчеты, результаты которых использованы в диссертации и наравне с другим соавтором участвовал в написании работ, опубликованных по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 64 наименований. Объём диссертации составляет 124 страницы текста, содержащего 40 рисунков и 39 таблиц.

Похожие диссертации на Обобщение стандартной модели атмосферы Земли с учетом нелинейного электрического поля