Моделирование процессов переноса и стратификации аэрозольных компонент в средней и верхней атмосфере Земли под действием гравитофотофореза

• Автор: Васильев, Юрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 119 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. СТРАТИФИКАЦИЯ АЭРОЗОЛЕЙ В СРЕДНЕЙ И ВЕРХНЕЙ

АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ.

1.1 Состав и распределение аэрозоля в атмосфере Земли.

1.1.1 Аэрозольные частицы в атмосфере Земли.

1.1.2 Наблюдения аэрозольных слоев в средней и верхней атмосфере

Земли.

1.1.3 Модели формирования аэрозольных слоев.

1.2 Фотофорстические силы и вертикальный перенос аэрозоля в

верхней атмосфере Земли

1.2.1 Однородные сферические частицы. Классический фотофорети
ческий эффект. Возможности транспорта и стратификации
1.2.2 Фотофоретичсские силы Догтипа. Ориентационная модель Ро
хатчека гравитофотофорез
1.2.3 Основные положения теории Доггравитофотофореза.
1.2.4 Поглощение частицами различного размера электромагнитного
излучения видимого и ИК спектра.
1.2.5 Процессы теплообмена между частицами и окружающей средой
1.2.6 Постановка задачи и подходы к решению.
2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ФОТОФОРЕТИЧЕСКИХ СИЛ, МО
МЕНТОВ, КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОБМЕНА И ВЯЗКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТОДОМ МОНТЕКАРЛО ДЛЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР
2.1 Уравнения движения аэрозольных частиц в атмосфере Земли
2.2 Алгоритм расчета фогофоретических сил, моментов и энерго
обмена аэрозольных частиц с окружающей средой методом МонтеКарло.
2.3 Алгоритм расчета вязких коэффициентов.
2.4 Оценка скорости сходимости расчетного алгоритма и тсстиро
вание программы
2.5 Схема расчета внутренней задачи для аэрозольных частиц
3. ДГГРАВИТОФОТОФОРЕЗ. ГРАВИТАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
3.1 Гравнтофотофорез АТтипа
3.2 Общие условия возникновения пространственной ориентированности аэрозольных частиц
3.3 Особенности пространственной ориентации осесимметричных частиц
3.4 Моделирование движения осесимметричных частиц и ориентационных состояний для кластерных частиц
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОТНОЙ И СЕЗОННОШИРОТНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ. ГРАВИТОФОТОФОРЕЗ А а ТИПА
4.1 Высотный ход подъемных сил для частиц А атипа.
4.2 Условия левитации и стратификации в атмосфере частиц
Датипа
4.3 Сезонноширотные и сезонновысотные вариации распространенности аэрозольных слоев в атмосфере Земли
5. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ii
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. I
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Этот явление получило название гравитофотофореза. Усредненное значение вертикальной фотофоретической силы в этом случае называют гравитофотофоретической силой. Согласно оценкам, гравитофотофоретические силы способны поднимать частицы сажи из тропосферы в стратосферу и мезосферу Земли [, ]. Возможность существования механизма подобного вертикального переноса сажевых частиц в верхние слои атмосферы представляется достаточно важным фактором с экологической точки зрения. Указанный вывод базируется на простой модели описания гравитофото-форетического движения в случае квазисферических частиц, предложенной в работах КоЬасЬек Н. Условия возникновения гравитофоретических сил в других случаях изучены слабо. Корректное описание гравитофоретиче-ского движения несферических и тем более агрегированных аэрозолей требует применения современных методов численного моделирования. Разработке соответствующего инструмента исследования гравитофотофоретических явлений и применение его к исследованию формирования аэрозольных слоев в средней и верхней атмосфере посвящена данная работа. Известны и достаточно развиты методы описания фотофоретического движения в сравнительно плотных газовых средах при малых значениях числа Кнудсена, которые базируются на использовании уравнений гидродинамики с учетом специальных граничных условий, так называемых «с проскальзыванием», предложенных в работах [, ]. В условиях средней и верхней атмосферы для аэрозольных частиц типичных размеров (порядка и меньше микрона) число Кнудсена достаточно велико. Это делает возможным использование в расчетах приближения свободно молекулярного режима в рамках кинетического подхода и применение метода Монте-Карло для численного моделирования взаимодействия аэрозольных частиц с окружающей газовой средой. Теоретически механизм гравитофотофореза достаточно детально рассмотрен лишь для идеально сферических частиц. Реальные аэрозольные частицы отличаются разнообразием конфигураций и состава. Поэтому разработка последовательной модели гравитофоретического переноса аэрозоля в средней и верхней атмосфере для агрегированных частиц неправильной формы и различного состава представляется необходимой и актуальной. Собственно вопросы стратификации аэрозольных частиц за счет гравитофотофоретических сил также до сих пор изучены недостаточно и требуют специального рассмотрения. Формирование комплекса программ для численного моделирования рассматриваемого явления, имеет ряд особенностей, связанных с совмещением в рамках одного пакета разнородных в математическом отношении задач с различным физическим наполнением и способами их решения, а также предполагает необходимость использования развитой системы представления, обработки и визуализации результатов расчетов. Исходя из вышесказанного, разработка программного комплекса для проведения численных экспериментов по моделированию эффектов гравитофотофоретического движения и стратификации аэрозольных частиц различных типов и конфигурации представляется в настоящее время актуальной. Земли. Объект исследований - аэрозольные компоненты средней и верхней атмосферы Земли. Предметом исследований является комплексная физико-математическая модель переноса и стратификации аэрозольных компонент в атмосфере Земли под действием гравитофотофоретических сил, предназначенная для проведения численных экспериментов по изучению условий формирования аэрозольных слоев и определения их характеристик. Целью данной работы является разработка программного комплекса для моделирования гравитофоретического эффекта и исследование процессов переноса и стратификации аэрозольных частиц различной конфигурации и состава (сферических и несферических частиц, аэрозольных агрегатов) в разреженной газовой среде (/Сп>1), поглощающих излучение видимого и ИК диапазонов, в средней и верхней атмосфере Земли под действием гравитофотофоретических сил. Определение условий возникновения гравитофотофоретического эффекта в результате стабилизации пространственной ориентации аэрозольных частиц под действием гравитации и вязких сил.