550.388.2 Математическое моделирование воздействия радиоизлучения на нижнюю ионосферу

Ступицкий Е. Л. (Институт автоматизации проектирования РАН), Моисеева Д. С. (Институт автоматизации проектирования РАН), Моторин А. А. (Институт автоматизации проектирования РАН)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, НИЖНЯЯ ИОНОСФЕРА, РАДИОВОЛНЫ КВДИАПАЗОНА, ТЕМПЕРАТУРА, КИНЕТИКА


doi: 10.18698/2309-3684-2024-1-6792


В работе представлены численные исследования параметров нижней ионосферы при воздействии на нее потока коротковолнового радиоизлучения различной частоты и мощности. Основное внимание уделяется взаимосвязи энергетических и кинетических параметров возмущенной D-области ионосферы в процессах, определяющих поглощение и трансформацию потока энергии радиолуча в пространстве и во времени. Показана возможность существенного различия в поведении параметров возмущенной области в дневное и ночное время как по величине, так и по пространственно-временному распределению. Ввиду отсутствия надежных значений констант скоростей ряда важных кинетических процессов, численные исследования велись поэтапно, с постепенным добавлением отдельных процессов и кинетических блоков, соответствующих вместе с тем определенному физическому содержанию. Показано, что главную роль при этом играют энергетические пороги для неупругих столкновений электронов с молекулами воздуха. Данный подход позволил обнаружить эффект возникновения автоколебательного режима изменения параметров, если главным каналом для потерь энергии в неупругих процессах является наиболее энергоемкий процесс – ионизация. Этот эффект может играть роль при плазменных исследованиях с использованием высокочастотных индукционных и емкостных разрядов. Представлены результаты расчетов ионизационных и оптических параметров возмущенной D-области для дневных условий. Получены значения электронной температуры, концентрации, коэффициентов излучения в видимом и инфракрасном диапазонах спектра для различных значений мощности радиолуча и его частоты в нижней ионосфере. Подробно исследовано влияние на электронную температуру и на общее поведение параметров энергии, которая расходуется электронами на возбуждение колебательных и метастабильных состояний молекул. Показано, что в ночных условиях, когда нижняя граница электронной концентрации поднимается до 80 км, а концентрация тяжелых частиц снижается на два порядка по сравнению со средней областью D-слоя, при достаточной мощности радиоизлучения может развиваться крупномасштабное газодинамическое движение. На основе численной схемы Мак-Кормака разработан алгоритм и выполнены двумерные газодинамические расчеты поведения параметров возмущенной области при определенных упрощениях кинетической части задачи.


Иванов-Холодный Г.С., Никольский Г.М. Солнце и ионосфера. Москва, Наука, 1969.
Ратклифф Дж. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. Москва, Мир, 1975.
Бауэр З. Физика планетных ионосфер. Москва, Мир, 1976.
Ришбет Г., Гарриот О.К. Введение в физику ионосферы. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1975.
Мак-Ивен М., Филлипс Л. Химия атмосферы. Москва, Мир, 1978.
Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. Москва, Наука, 1988.
Фролов В.Л., Бахметьева Н.В., Беликович В.В. и др. Модификация ионосферы Земли мощным коротковолновым излучением. Успехи физических наук, 2007, 177, № 3, с 330–340.
Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере. Успехи физических наук, 2007, 177, № 11, с. 1145–1177.
Streltsov A.V., Bertheier J.J., Chernyshov A.A., Frolov V.L., Honary F., Kosch M.J. et al. Past, present and future of active frequency experiments in space. Space Sci. Rev., 2018, 214, No. 118, pp. 1–122.
Моисеева Д.С., Моторин А.А., Ступицкий Е.Л. Численные исследования параметров возмущенной области, образующейся в нижней ионосфере под действием направленного потока радиоизлучения от наземного источника. Компьютерные исследования и моделирование, 2018, 10, № 5, с. 679–708.
Kero A., Vierinen J., Enell C.-F., Virtanen I., Turunen E. New incoherent scatter diagnostic methods for the heated D-region ionosphere. Ann. Geophys, 2008, 26, pp. 2273–2279.
Tomko A.A., Ferraro A.J., Lee H.S., Mitra A.P. A theoretical model of D-region ion chemistry modifications during high power radio wave heating. J. Atmos. Terr. Phys., 1980, 42, pp. 275–285.
Tomko A.A., Ferraro A.J., Lee H.S. D-region absorption effects during high-power radio wave heating. Radio Science, 1980, 15, No. 03, pp. 675-682.
Kero A., Bösinger, T., Pollari, P. et al. First EISCAT measurement of electron-gas temperature in the artificially heated D-region ionosphere. Annales Geophysical, 2000, 18, pp. 1210–1215.
Enell C.-F, Kero A, Turunen E et al. Effects of D-region RF heating studied with the Sodankylä Ion Chemistry model. Annales Geophysicae, 2005, 23, pp. 1575-1583.
Ступицкий Е.Л., Холодов А.С. Физические исследования и математическое моделирование крупномасштабных геофизических экспериментов. Долгопрудный, Изд-во «Интеллект», 2019.
Моисеева Д.С. Разработка методологического аппарата для определения параметров ионосферы, возмущенной мощным направленным потоком радиоволн от наземного источника. Автореферат дисс. канд. физ.-мат. наук. Долгопрудный, МФТИ, 2021.
Мак-Даниэль И. Процессы столкновений в ионизованных газах. Москва, Мир, 1967.
Митчнер М., Кругер Ч. Частично-ионизованные газы. Москва, Мир, 1976.
Омхольт А. Полярные сияния. Москва, Мир, 1974.
Хастед Дж. Физика атомных столкновений. Москва, Мир, 1965.
Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизированной плазме. Москва, Атомиздат, 1975.
Гордиец Б.Ф, Марков Н.Н., Шелепин Л.А. Теория инфракрасного излучения околоземного космического пространства. Труды АН СССР, 1978, 105, с. 7-71.
Ступицкий Е.Л., Репин А.Ю. Методика исследования кинетики ионизационно-химических и оптических возмущений в атмосфере на основе численного моделирования. ЦФТИ МО РФ, 2002.
Перов С.П, Хриган А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1980.
Turco R.P. Photodissociation rates in the atmosphere below 100 km. Geophysical Surveys, 1975, 2, pp. 153–192.
Справочник. Околоземное космическое пространство. Москва, Мир, 1988.
Прияткин С.Н., Ступицкий Е.Л. Неравновесные процессы при разлете бариевого облака в поле солнечного излучения. Космические исследования, 1992, 30, № 2, с. 253.
Морозов Д.В., Ступицкий Е.Л. Воздействие на ионосферу земли направленного потока радиоизлучения от наземного источника. IX Международная конференция по волновой электродинамике, Ярославль, ч.1,2, 2011.
Ступицкий Е.Л. Динамика мощных импульсных излучений и плазменных образований. Москва, Физматлит, 2006.
Ступицкий Е.Л., Любченко О.С., Худавердян А.М. Неравновесные процессы при разлете высокотемпературного плазменного сгустка. Квантовая электроника, 1985, 12, № 5, с. 1038–1049.


Ступицкий Е.Л., Моисеева Д.С., Моторин А.А. Математическое моделирование воздействия радиоизлучения на нижнюю ионосферу. Математическое моделирование и численные методы, 2024, № 1, с. 67–92.


Работа выполнена в рамках государственного задания ИАП РАН.


Скачать статью

Количество скачиваний: 61