Введение к работе
Диссертация посвящена проблемам теоретической аэрономии, свя-анным с исследованием процессов тепло- и массопереноса в много-шпонентных смесях химически активных газов в турбосфере планеты. і ней развито теоретическое моделирование верхней атмосферы в двух тшных аспектах: 1) построение макроскопической модели крупно-іасштабной турбулентности реагирующей газовой смеси, как математи-іеской основы описания физико-химических процессов в турбосфере шанеты; 2) моделирование постановок аэрономических задач в рамках >азработанной модели сплошной среды с усложненными свойствами [турбулентность, шіогоксмпонентность, сжимаемость потока, гравитация, наличие химических реакций и т. п.).
Актуальность пройдеш исследования связана со становлением теоретической и прикладной аэрономии, как области науки, лежащей іа стыке таких фундаментальных направлений, как гидромеханика и аднетическая теория газов, физика плазмы и химическая кинетика, ишетная астрономия и физика атмосферы. В отличие от наиболее тлотных областей атмосферы, изучением которых традиционно занима-эгся метеорология, к кругу задач аэрономии относят область атмосферы, лежащей выше тропосферы и постепенно переходящей в околопла-іетное космическое пространство. Другими словами, под аэрономией тонимают изучение комплекса процессов и явлений, характеризующих хютояние, структуру, динамику и энергетику верхней атмосферы пла-1вты. где она в наибольшей степени подвержена воздействию солнеч-того электромагнитного и корпускулярного излучений. Важность и актуальность исследований в этой области определяются практическими татребностями освоения космического пространства, для которых не-эбходим прогноз явлений на основе заданных условий внешнего воз-цействия и внутреннего состояния изучаемых слоев атмосферы.
По вопросам теоретической аэрономии в периодических изданиях у нас в стране и за рубежом ежегодно публикуются сотни работ, вышло в свет несколько фундаментальных монографий, в том числе и монография "Введение в планетную аэрономию" (М.: Наука, 1987, 456 с.), написанная автором совместно с чл. -корр. РАН М. Я. Маровым, в которой обсуждается широкий спектр проблем физики верхних атмосфер планет в рамках теоретических моделей.
Вместе с тем, до последнего времени относительно мало внима-
ния обращалось на проблему турбулентности в верхней атмосфере. I отличие от хорошо изученного (теоретически и экспериментально) приземного слоя, сведения о турбулентности в верхней атмосфере I настоящее время представлены немногочисленными экспериментальным! данными. Важно подчеркнуть, что влияние различных специфически; для верхней атмосферы факторов (таких, как многокоипонентності смеси, переменность среднего молекулярного- веса, наличие химических реакций, гравитация и др.) на турбулентность в турбосфере, приводящее к появлению усложнящих дополнительных эффектов, НЕ позволяет в общем случае.использовать при моделировании атмосферных процессов теоретические результаты, полученные в рамках традиционного описания турбулизованных течений однородной (однокомпо-нентной) несжимаемой жидкости. С другой стороны разработанная е последнее время в литературе полуэмпирическая теория козффициентоЕ турбулентного переноса для течений в многокомпонентном пограничної, слое не может быть в полной мере использована для целей аэрономии, в частности, из-за отсутствия гравитационных эффектов в структуре используемых уравнений.
Задача построения модели крупномасштабных турбулентных движений многокомпонентных химически активных газовых смесей, адекватне описывавшей явления переноса в верхней атмосфере планеты и составляет основное направление предпринятого в рамках диссертации исследования. Поэтому представленные в работе результаты актуальні как в общенаучном плане- являются вкладом в развитие методов пост: роения моделей сплошных сред с усложненными свойствами, так и свете практических приложений - численное решение схематизированны) постановок агрономических задач (в рамках разработанных моделеі турбулентности для изучаемых объектов -турбосфер планет), в связі с созданием репрезентативной гидродинамической модели для прогноз; глобальных структурных параметров средней атмосферы планеты.
Цель работы состоит в разработке, обосновании и практически! проверке модели турбулентности многокомпонентного химически активного газового континуума, как математической основы описания динамических, термических и разнообразных физико-химических процессої в верхней атмосфере планеты; в постановке и решении в рамках предложенной модели сплошной среды с усложненными свойствами агрономических задач, связанных с актуальными проблемами численного моделирования динамики, состава и теплового баланса мезосферы и нижнє!
гермосферы планеты -областей атмосферы, которые формируются под воздействием процессов турбулентного перемешивания.
Диссертация является составной частью цикла исследований по проблемам теоретической и прикладной аэрономии, которые в течение последних двадцати лет проводились в ШШ им. М. В. Келдыша РАН под руководством чл. -корр. РАН М. Я. Марова.
Основными задачами исследований соискателя по теме диссертации являются:
развитие макроскопической теории процессов молекулярного циффузионного переноса в многокомпонентных многоатомных газовых средах;
построение модели крупномасштабной турбулентности для многокомпонентного химически активного континуума, как теоретической основы глобального описания процессов тепло-и массопереноса в сжимаемой многокомпонентной газовой среде верхней атмосферы планеты;
разработка усложненной модели турбулентности (включающей в качестве замыкающих балансовые уравнения для одноточечных вторых корреляционных моментов турбулентных пульсаций) для постановки и решения разнообразных аэрономических задач, в которых существенны конвективный и диффузионный перенос турбулентности, а также пре-цыстория потока;
развитие термодинамического подхода к проблеме замыкания гидродинамических уравнений среднего движения, позволяющего получить более общие выражения для определяющих соотношений в турбули-зованных многокомпонентных газовых средах, чем те, которые выводятся с использованием понятия пути смешения;
разработка в рамках построенной модели турбулентности полуэмпирических методик расчета коэффициентов турбулентного переноса в стратифицированной в поле силы тяжести среде (мезосфера и нижняя термосфера Земли), основанных на принципе "локально-равновесного приближения";
разработка подхода к моделированию внешнего масштаба турбулентности в свободной атмосфере по оптическим измерениям флуктуации показателя преломления воздуха, в связи с созданием репрезентативной гидродинамической модели для прогноза осредненных (глобальных) структурных параметров средней атмосферы Земли в рамках научной программы непрерывного космического мониторинга озоносферы (проект Goffios);
- б -
- решения некоторых агрономических задач, связанных с актуальными проблемами численного моделирования состава и тепловогс баланса тех областей верхней атмосферы планеты, которые формируются под воздействием процессов турбулентного перемешивания.
Общая методика выполнения исследований определялась поставленной в диссертации задачей и опиралась на методы математики, теоретической физики, механики сплошной среды и термодинамики необратимых процессов, современные численные методы и вычислительные эксперимент с применением ЭВМ; при математическом моделирована процессов молекулярного и турбулентного тепло- и массопереноса е верхней атмосфере Земли использовались известные представления с них, результаты проведенных соискателем исследований, анализ и обобщение экспериментальных данных. Диссертационная работа велась по планам вачснейших научно-исследовательских работ,- выполняемых ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, в частности, в рамках двух научных проектов Российского фонда фундаментальных исследований: "Моделирование структуры, теплового режима и физических процессов в планетной и комегной атмосфере" (код проекта 93-02-37039) и "Моделирование турбулентных сдвиговых течений реагирующих газовых сред" (код проекта 93-03-17275).
Научная новизна диссертации заключается в предложенном подходе к изучаемой проблеме, в разработанных методах модельного описания физико-химических свойств верхней атмосферы с единых позиций механики многокомпонентных реагирующих газов с учетом турбулизации потока, процессов тешю-и массопереноса и химической кинетики, а также в целом ряде новых результатов, полученных лично автором либо с его участием на основе развитых методов. Это позволило построить усложненную модель крупномасштабной турбулентности многокомпонентного континуума» являющуюся важнейшим математическим инструментарием исследования проблем теоретической аэрономии, и развить методы схематизированных постановок и численного расчета задач моделирования структуры, динамики и энергетики мезосферы и нижней термосферы, служащие целям проведения соответствующих вычислительных экспериментов.
Конкретные примеры расчетов служат иллюстрацией эффективности предложенных подходов и вместе с тем содержат рекомендации, важные для прикладных целей и с точки зрения совершенствования многочисленных полуэмпирических моделей верхней атмосферы.
Обоснованность и достоверность научнмх полонений и результатов. Обоснованность и достоверность полученных в работе теоретических результатов следуют из того, что они основаны на общих законах и методах механики сплошных сред, кинетики и неравновесной термодинамики. Полученные научные обобщения содержат как частный случай известные закономерности. Все эффекты, представленные в диссертации на основе разработанной макроскопической теории процессов тепло-и массопереноса и крупномасштабной турбулентности в стратифицированной среде в поле силы тяжести, . допускают экспериментальную проверку.
Полученные теоретические результаты по проблемам регулярного и турбулентного тепло-и массопереноса в многокомпонентных газовых смесях прошли апробацию при создании и внедрении математических моделей верхних атмосфер планет в рамках НИР по директивным темам, научного сотрудничества по Договорам и научных контактов со смазными организациями РАН и других ведомств. Численные результаты, полученные при выполнении директивных работ, отвечают преимущественно таким теоретическим моделям верхних атмосфер планет, которые на момент проведения расчетов являлись наиболее обоснованными и приближенными к известным зарубежным и отечественным полузмпкрк-ческим моделям.
Практическая ценность исследований. Практическая значимость диссертационной работы определяется ее прикладной ориентацией. В прикладном аспекте проведенные разработки по математическому моделированию процессов турбулентного тепло- и массопереноса в многокомпонентной газовой среде обеспечивают в конечном счете надежность знания параметров мезосферы и нижней термосферы планеты, оказывающих существенное влияние на структуру и тепловой режим более высоких слоев атмосферы, где лежат орбиты искусственных спутников и пилотируемых орбитальных станций.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде всесоюзных и международных конференций, в том числе на:
V Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981); XIII Международном симпозиуме по динамике разреженных газов (Новосибирск, 1982); семинаре по исследованию верхней атмосферы (Интеркосмос, секция No 6. Байя, ВНР, 1981); конференции "Использование наблюдений искусственных спутников Земли для целей
геодезии и геофизики (Интеркосвдс, секция Wo 6... Суздаль, 1S82); XVI Международном симпозиуме по современным проблемам и методам в механике жидкости (Спала, ПНР, 1983); IV Международном симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (Сочи,1984); Всесоюзной конференции по физике и динамике комет (Симферополь, 1984; Киев, 1985); Всесоюзной вколе-семинаре "Динамика механических систем" (Томск, 1986); VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); а также в течении 1982-1992 гг. на научных семинарах Института прикл. математ. им. М. В. Келдыша РАН, семинарах \Ш Механики МГУ им. М. В. Ломоносова, семинаре МИНХи ГП им. И.М. Губкина, на городском научном семинаре Астросовета РАН "Солнечная система".
Основное содержание диссертации представлено в 44 научных работах, в том числе в монографии (общим объемом 28.5 усл.печ.л.). посвященной актуальным проблемам теоретической аэрономии, а также в научных отчетах.
Объем н структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 346 страниц текста. 15 рисунков и 4 таблицы. Библиография включает 265 названий, из них 176- на русском языке.
Главы диссертации можно условно разделить на две части. Первая часть диссертации (Гл. 1-4) содержит обобщение и развитие некоторых результатов исследований, полученных ранее разными авторами (в том числе и диссертантом) по методам математического моделирования турбулентных течений многокомпонентных реагирующих газовых смесей, применительно к аэрономическим проблемам. Здесь выведена система базисных уравнений для среднего движения (при использовании средневзвешенного осреднения Фавра), пригодная для численного моделирования движений в мезосфере и термосфере планеты. Особое внимание уделено процессам молекулярного и турбулентного тепло-и массопереноса в многокомпонентных газовых смесях, которые, наряду с химическими и фотохимическими реакциями, в значительной степени определяют закономерности структуры, динамики и энергетики верхней атмосферы. Во второй части (Гл.5-7) представлены конкретные агрономические задачи численного моделирования верхней атмосферы.
Диссертант пользуется случаем выразить глубокую признательность академику РАН Л. И. Седову, у которого он, будучи студентом и аспирантом, прошел прекрасную школу механики.
Написание диссертации было бы невозможно без многолетнего творческого содружества автора с чл. -корр. РАН профессором М. Я. Маровым, внимание и постоянную поддержку которого он неизменно ощущает на протяжении многих лет. Автор выражает ему искреннюю благодарность.
Автор благодарит всех сотрудников отдела N 14 ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, кто своим участием, советами или замечаниями способствовал выполнению этой работы и, прежде всего, В.Г. Васина и 0. П. Красицкого.
Диссертант благодарен всем коллегам в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН так или иначе содействовавших выполнению этой.работы.