Математическое моделирование процессов в ионосферной плазме

• Автор: Ишанов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Калининград
• Количество страниц: 370 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ И
ПЛАЗМОСФЕРЫ.
1.1 Физико-химические процессы в ионосферной плазме.
1.2 Система уравнений, моделирующих многокомпонентную ионосферную плазму в квазигидродинамическом приближении.
1.3 Системы координат, используемые в ионосферном моделировании.
1.4 Классификация математических моделей ионосферы и плазмы по физическим и геометрическим признакам.
1.5 Начальные и граничные условия в задачах моделирования ионосферы
1.6 Проблемы численной реализации математических моделей околоземной космической плазмы.
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СРЕДНЕШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ И ЧИСЛЕННЫЕ АЛГОРИТМЫ.
2.1 Описание модели нижней ионосферы.
2.2 Модель высотного распределения параметров среднеширотной ионосферы F2Z.
2.3 Разностные схемы для уравнений диффузии ионов и алгоритмы решения разностных уравнений.
2.4 Алгоритм потоковой прогонки в задачах диффузии ионов.
2.5 Начальные и граничные условия для одномерных уравнений диффузии.
2.6 Результаты тестирования численных алгоритмов.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРЕ-
ДЕЛЕНИЯ ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ
ПЛАЗМЫ В ГЕОМАГНИТНОЙ СИЛОВОЙ ТРУБКЕ.
3.1 Общая характеристика проблемы и основные уравнения моде- 118 ли.
3.2 Описание области определения решения уравнений модели и ее 127 дискретизации.
3.3 Ионизация, рекомбинация и динамика заряженных и нейтраль-
ных компонент ионосферно-магнитосферной плазмы.
3.4 Численный метод решения уравнений движения нейтрального
газа.
3.5 Численный метод решения уравнений теплового баланса.
3.6 Численные методы решения уравнений непрерывности и движе-
ния в диффузионном и в гидродинамическом приближениях.
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВА-
НИЕ ИОНОСФЕРЫ С УЧЕТОМ ЕЁ ТРЁХМЕРНОЙ
НЕОДНОРОДНОСТИ.
4.1 Основные уравнения трехмерной модели среднеширотной F- 175 области ионосферы.
4.2 Постановка смешанной задачи для трехмерного уравнения диф- 178 фузии разностных операторов.
4.3 О применимости процесса ”a—ß” итераций для решения систем 187 разностных уравнений.
4.4 Итерационный алгоритм решения систем разностных уравне- 192 ний с диагональным преобладанием по столбцам.
4.5 Тестирование итерационного ”а — /3” алгоритма в случае диа- 199 тонального преобладания по столбцам.
4.6 Циклический вариант "а — ß" итерационного алгоритма.
4.7 Моделирование высотно - долготных вариаций ионосферных 208 параметров на основе циклического "а — ß" алгоритма .
4.8 Оценка влияния смешанных производных в уравнениях диф- 211 фузии на высотно - шпротные распределения ионосферных параметров.

ГЛАВА 5. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ
ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ.
5.1 Математическое моделирование система ионосфера-плазмосфера на основе различных гидродинамических приближений.
5.2 Результаты численного моделирования ионосферы и плазмо-сферы в естественных условиях.
5.3 Химические возмущения системы ионосфера-плазмосфера.
5.4 Моделирование эффектов динамических возмущений плотности и температуры ионосферно-магнитосферной плазмы на плазмосферных высотах.
5.5 Моделирование процессов в ионосферной плазме при учете ме-тастабильных составляющих для возмущенных условий.
ГЛАВА 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ И ПЛАЗМОСФЕРЫ.
6.1 Влияние магнитосферно-ионосферных потоков плазмы на Р-область ионосферы.
6.2 Влияние колебательно-возбужденного азота на рекомбинацию в ионосферной плазме.
6.3 Ионосферно-магнитосферные потоки.
6.4 Результаты вычислительных экспериментов в нижней ионосфере.
6.5 Использование математических моделей ионосферы для изучения распространения электромагнитных волн .
6.6 Роль горизонтальных составляющих скорости нейтрального ветра при антропогенных воздействиях на ионосферу Земли.
6.7 Моделирование электронной и ионных температур при антропогенных воздействиях на ионосферу .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Современные теоретические модели ионосферы основаны на двух основных подходах: кинетическом, кинетических уравнениях Больцмана для многокомпонентной смеси, и гидродинамическом, например, тринадцати-моментном приближении метода Трэда [1-3]. В данной работе рассматриваются уравнения математических моделей в еще более простом пятимоментном гидродинамическом-приближении [4-5]. В этом приближении функции распределения слабо отличаются от максвелловских, величины скоростей и компонент тензора вязких напряжений и вектора потока тепла предполагаются величинами первого* порядка малости, а их производные по координатам - малыми второго порядка. Применимость таких упрощающих предположений можно обосновать, рассмотрев некоторые основные характеристики ионосферной плазмы. Более подробную информацию о границах применимости тех или иных подходов и физических приближений, используемых для составления модельных уравнений, можно найти в литературе, на которую сделаны вышеуказанные ссылки.
1.1 Физико-химические процессы в ионосферной плазме
Математическое моделирование околоземного космического пространства (ионосфера, плазмосфера, магнитосфера) обладает своей спецификой, присущей низкотемпературной многокомпонентной плазме, находящейся под воздействием магнитных, электрических полей и различного рода излучений [278, 329, 336].
Основными источниками ионизации являются ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, фотоэлектроны и авроральные частицы, галактические космические лучи и солнечный ветер, дополнительные источники - ионизация ускоренными в сильных электрических полях электронами, рассеянное УФ излучение (ночью), метеорная ионизация. В зависимости от проникающей способности каждый источник воздействует на ту или иную область ионосферы. Аэрономические процессы в ионосфере из-за сложности химического состава среды отличаются большим разнообразием и сложностью. Эти процессы должны рассматриваться в совокупности с процессами переноса, на которые в свою очередь оказывают сильное влияние электрические и магнитные поля, приво-