авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Исследование фотохимических процессов в мезосфере земли с помощью базовых динамических моделей

-- [ Страница 2 ] --

В § 1.2 кратко изложены результаты предшествующих работ [2, 4-11], в которых исследовались нелинейно-динамические свойства МФХС. Во-первых, представлены результаты нуль-мерного анализа, свидетельствующие о возможности нелинейного отклика МФХС на суточные вариации освещенности на высотах области мезопаузы, и приведено несколько примеров нетривиального поведения МГС мезосферы в зависимости от значений управляющих параметров. Во-вторых, суммированы результаты исследований влияния одного из наиболее важных типов мезосферного переноса – вертикальной турбулентной диффузии. Этот тип переноса приводит к существенному обеднению спектра возможных режимов поведения МФХС: при возможных в летнее время значениях коэффициента вертикальной диффузии [12] Dzz ~ (2·104 см2/с - 7·104) см2/с в районе мезопаузы "выживает" четырехсуточный режим осцилляций МФХС, а при значениях Dzz ~ (7·104 - 2·105) см2/с - двухсуточный режим. Более сложные режимы поведения МФХС (например, трехсуточный или хаотический) исчезают при значительно меньших значениях Dzz ~ (5·102 – 8·102) см2/с, которые не реализуются в реальных условиях верхней мезосферы. В зимних условиях (при диффузии, существенно большей 2·105 см2/с) режим поведения становится односуточным, т.е. нелинейный отклик МФХС оказывается полностью подавленным диффузионными процессами.

В § 1.3 указаны главные особенности субгармонических режимов поведения МФХС, которые не принималась во внимание в предшествующих работах. Во-первых, данные осцилляции являются вынужденными, однако при одном и том же значении фазы внешнего воздействия (суточных вариаций освещенности) фаза субгармонических осцилляций в зависимости от начальных условий может принимать дискретный ряд значений:

, , , ,

где N – число суток, составляющих период осцилляций. Во-вторых, горизонтальное распределение без учета диффузионной связи химических осцилляторов, разнесенных в горизонтальном направлении, может быть произвольным, а распределение концентраций МГС - существенно неоднородным. В частности, в окрестностях резких скачков фазы субгармонических осцилляций возникают резкие перепады концентраций МГС мезосферы. В-третьих, вследствие зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности ( непрерывно меняется от 0 до ), на зональной окружности имеется, по крайней мере, один резкий фазовый перепад субгармонических осцилляций даже в случае . В-четвертых, наличие резких перепадов концентраций МГС делает необходимым учет горизонтальной турбулентной диффузии, которая приводит к «сглаживанию» фазовых и концентрационных перепадов. На основании оценок баланса фотохимических и диффузионных процессов показано, что соответствующий масштаб горизонтальный неоднородности концентраций МГС должен составлять ~ (100-300) км.

В § 1.4, во-первых, изложен метод построения базовых динамических моделей (БДМ) атмосферных фотохимических систем (ФХС), предложенный в работах [1-5]. Основная идея построения таких моделей состоит в разделении переменных системы (концентраций МГС) на три группы в соответствии с соотношением между характерными временами их жизни и временным масштабом изучаемого явления . Переменные из первой группы, для которых , являются параметрами. Переменные из второй группы являются «быстрыми»: , с учетом диссипативности атмосферных фотохимических систем полагается, что они находятся в состоянии мгновенного устойчивого равновесия. Их "мгновенно-равновесные" значения определяются (в случае нуль-мерных моделей) из системы алгебраических уравнений, получаемых приравниванием нулю производных по времени в отвечающих им уравнениях химической кинетики, и являются в общем случае нелинейными функциями от параметров и отнесенных к третьей группе «медленных» переменных, эволюция которых с характерным временем описывается дифференциальными уравнениями. Важная особенность атмосферных ФХС состоит в том, что определенные группы быстрых переменных (разных для различных атмосферных ФХС) могут образовать медленные семейства, характерное время жизни которых существенно превышает индивидуальные времена жизни входящих в них быстрых компонент. В таком случае для корректного моделирования с помощью БДМ в ней необходимо учесть дополнительное дифференциальное уравнение, описывающее медленную эволюцию концентрации семейства, а из вырожденной системы алгебраической уравнений удалить одно (любое) уравнение для одной из быстрых компонент этого семейства.

Во-вторых, в § 1.4 представлена БДМ МФХС. Она представляет собой систему семи уравнений, два из которых являются дифференциальными уравнениями первого порядка по времени для концентрации O и полной концентрации семейства нечетного водорода HOx (H+OH+HO2), а оставшиеся пять образуют систему алгебраических уравнений, которая связывает значения быстрых компонент (O(1D), O3, H, OH, HO2) со значениями медленных переменных (O и HOx) и параметров БДМ.

В-третьих, проведено обобщение указанного выше метода на случай построения БДМ МФХС с учетом процессов переноса. На основании оценок «индивидуальных» характерных времен различных механизмов мезосферного переноса (молекулярная и турбулентная диффузия, горизонтальный и вертикальный ветра, планетарные и внутренние гравитационные волны) и их сравнения с фотохимическими временами жизни быстрых и медленных переменных МФХС сделан вывод, что все перечисленные процессы переноса оказываются «медленными» в смысле, указанном выше: . Поэтому концентрации быстрых компонент во всем моделируемом диапазоне высот (50-90 км) связаны с концентрациями медленных компонент алгебраическими соотношениями, полученными в рамках нуль–мерной БДМ, и для корректного описания процессов переноса в БДМ МФХС достаточно включить их только в уравнения для медленных переменных. Проведено прямое сравнение результатов расчета БДМ и полной модели МФХС, произведенных с учетом разных типов процессов переноса. Показано, что результаты расчета БДМ МФХС практически идеально (как с качественной точки зрения, так и с количественной) воспроизводят результаты полной модели.

В § 1.5 проведено численное тестирование системы алгебраических уравнений БДМ МФХС в условиях, отвечающих данным CRISTA – MAHRSI (дневное время суток). Показано, что во всем моделируемом диапазоне высот данная система уравнений с хорошей точностью (не хуже 3%) описывает соотношения между O(1D), O3, H, OH, HO2, O и HOx. В данном параграфе также отмечено, что такого количества (5 уравнений) априорных связей оказывается достаточно, чтобы, обладая информацией об одновременных значениях концентраций любых двух химических компонент МФХС, восстановить значения оставшихся компонент этой системы и, таким образом, определить значения динамических переменных БДМ МФХС и почти всех (кроме членов, пропорциональных концентрации H2O, и членов, описывающих перенос) слагаемых, входящих в дифференциальные уравнения медленных переменных.

Во второй главе исследовано воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны (КДВ) на фотохимические осцилляции с периодом двое суток.

В § 2.1 представлено описание основных свойств летних КДВ (направление распространения, период, зональное волновое число, локализация по высоте и широте, величины амплитуд осцилляций температуры, зональной и меридиональной компонент скорости ветра), зарегистрированных проявлений этих волн в поведении МГС и теоретически предсказанных изменений основных характеристик мезосферы и нижней термосферы Земли, вызываемых этими волнами.

В § 2.2 представлены исходные трехмерные уравнения непрерывности медленных компонент МФХС, в которых влияние КДВ учитывается посредством локальной модуляции констант фотохимических реакций и через периодический перенос МГС мезосферы зональным, меридиональным и вертикальным ветром волны. Проведен качественный анализ отдельных членов этих уравнений с целью выделения наиболее существенных механизмов влияния КДВ на МФХС, которые можно рассмотреть, исходя из уравнений меньшей размерности. При этом применялся общепринятый метод, основанный на оценке характерных времен переноса по сравнению с фотохимическим временем эволюции МФХС. Необходимая информация о характерных значениях скорости среднего зонального ветра и амплитуд вариаций всех характеристик КДВ бралась из данных, полученных спутниковыми приборами WINDII и HRDI в январе 1993-1994 гг. На основании проведенных оценок сделаны следующие выводы: (1) перенос вертикальной компонентой скорости ветра в волне оказывается наиболее существенным механизмом воздействия КДВ на фотохимию во всех точках пространства, где возможны двухсуточные фотохимические осцилляции; (2) перенос горизонтальными компонентами скорости ветра в волне и средним зональным ветром оказывается важным в окрестностях резких градиентов фазы двухсуточных осцилляций; (3) в других областях, где фаза двухсуточных осцилляций изменяется (в пространстве) сравнительно медленно, влиянием горизонтального переноса в первом приближении можно пренебречь. Последнее оказывается справедливым и для механизмов, связанных с локальной модуляцией основных параметров МФХС.

В § 2.3 представлено описание используемых моделей, а так же численной схемы их интегрирования с указанием пространственного разрешения, метода интегрирования и его точности, начальных и граничных условий, высотно-широтных распределений усредненных по зональной координате концентрации H2O, температуры и давления. Для анализа влияния вертикального ветра КДВ на фотохимические осцилляции с периодом двое суток использовалась одномерная БДМ МФХС с учетом вертикальной турбулентной диффузии (с коэффициентом диффузии, при котором двухсуточный режим остается единственным режимом нелинейного отклика МФХС на суточные вариации освещенности) и вертикального периодического переноса. При анализе влияния на обнаруженные эффекты среднего зонального ветра и горизонтального ветра в КДВ производился переход в новую систему отсчета, в которой слагаемое, связанное с горизонтальным переносом, исчезает. Это позволило исследовать двумерные ситуации с помощью одномерной модели и, в конечном итоге, привело к существенной (более чем, в 100 раз) экономии машинного времени.

В § 2.4 исследовано влияние вертикального ветра КДВ. Показано, что (1) периодический перенос вертикальной компонентой скорости ветра приводит к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра : в результате быстрых переходных процессов устанавливается то из двух возможных значений , которое сильнее отличается от значения ; (2) данный эффект имеет порог по амплитуде осцилляций ветра, величина существенно зависит от величины разности между и начальной фазой фотохимических осцилляций; (3) эффект захвата фазы обуславливает формирование регулярного зонального распределения МГС верхней мезосферы и их фазы осцилляций с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны. (4) резкие степ-образные скачки фазы вертикального ветра КДВ в меридиональном направлении приводят к появлению соответствующих скачков фазы фотохимических осцилляций; (5) в случае, когда период волны существенно отличается от = 48 ч, возникают мультипериодические осцилляции МФХС с периодами и ; (6) минимальные амплитуды волны, необходимые для возникновения указанных эффектов, оказываются заметно (~ в 10-40 раз) меньше своих максимально возможных значений в реальных условиях мезопаузы.

В § 2.5 исследовано влияние на захват фазы двух других факторов: переноса средним зональным ветром и горизонтальной компонентой скорости ветра волны. В данном параграфе, во-первых, показано, что наиболее существенные изменения могут возникать в результате воздействия среднего зонального ветра: данный перенос приводит к равномерному движению фазовых перепадов двухсуточных осцилляций в зональном направлении со скоростью, равной скорости ветра, и, тем самым, нарушает горизонтальные распределения концентраций МГС МФХС и фаз их осцилляций, формируемые в результате воздействия вертикальной компоненты скорости ветра КДВ. Во-вторых, указанное движение фазовых перепадов для любой фиксированной величины среднего зонального ветра может быть подавлено увеличением амплитуды вертикальной скорости ветра в КДВ. При этом достаточные для подавления влияния горизонтального переноса значения этой амплитуды оказываются существенно меньше максимально возможных величин. В-третьих, влияние зональной и меридиональной скорости ветра в КДВ приводит, главным образом, к сглаживанию резких перепадов зонально-меридионального распределения фазы двухсуточных фотохимических осцилляций, формируемых в результате воздействия вертикальной компоненты скорости ветра КДВ, либо к появлению незначительных сдвигов (в меридиональном направлении) скачков фазы этих осцилляций.

В § 2.6 проведено обсуждение возможных проявлений обнаруженных эффектов в реальных условиях мезосферы. В данном параграфе отмечено, что обнаруженная синхронизация пространственных распределений двухсуточных фотохимических осцилляций и КДВ обуславливает возникновение волны фотохимического нагрева воздуха верхней мезосферы c соответствующими пространственно-временными характеристиками, что делает возможным резонансное усиление КДВ данным источником.

В третьей главе исследовано влияние вертикальной адвекции и горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические режимы поведения мезосферной фотохимической системы.

В § 3.1 представлено описание используемых моделей. В первом случае применялась одномерная БДМ МФХС, учитывающая перенос вертикальной турбулентной диффузией и средним вертикальным ветром. Значения коэффициента диффузии варьировались в диапазоне (2-20)·104 см2/с, при которых в отсутствие вертикальной адвекции в районе мезопаузы могут выживать только осцилляции с периодом 2 или 4 суток, скорости вертикального ветра w – в диапазоне [-2, +2] см/с (знак «+» соответствует направлению ветра снизу вверх, знак «–» - направлению сверху вниз). Во втором случае использовалась одномерная (в зональном направлении) БДМ МФХС с периодическими граничными условиями. Высота над уровнем моря, длина широтной окружности L и коэффициент турбулентной диффузии являлись основными управляющими параметрами. Рассматривались режимы поведения МФХС с периодом, равным 2, 3 или 4 суткам, которые выбирались путем задания определенного и одинакового для всех пространственно - распределенных элементов системы значения первого из параметров (высоты). При этом основное внимание уделялось анализу влияния диффузии в окрестности резких фазовых перепады субгармонических осцилляций, поскольку, как было отмечено в § 1.3, именно в этих областях диффузионные процессы должны проявляться наиболее существенно.

В § 3.2 суммированы основные результаты анализа влияния вертикальной адвекции. Показано, что учет данного переноса существенно модифицирует нелинейно-динамические свойства МФХС и, в зависимости от величины и направления скорости среднего вертикального ветра, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций МГС верхней мезосферы, так и к существенному усложнению спектра режимов их поведения при реальных атмосферных условиях. В частности, при значениях в диапазоне [2-7]·104 см2/с и см/с могут возникать сложные режимы поведения (в частности, трехсуточный и хаотический), которые при w=0 оказываются подавленными вертикальной диффузией. Проведен дополнительный анализ полученных эффектов с учетом периодической компоненты вертикальной скорости ветра, вызываемой распространением приливных волн и КДВ. Получено, что при типичных амплитудах осцилляций скорости вертикального ветра в суточном и полусуточном приливах влияние этих волн проявляется лишь количественно и не приводит к заметным качественным изменениям указанных выше эффектов. Основная модификация нелинейно-динамических свойств МФХС происходит за счет квазидвухсуточной компоненты вертикального ветра. Присутствие этой компоненты может полностью компенсировать влияние среднего вертикального ветра при всех величинах его скорости в рассматриваемом диапазоне [-2, +2] см/с.

В § 3.3 изложены основные результаты анализа влияния горизонтальной турбулентной диффузии. Продемонстрировано, что для всех рассмотренных режимов субгармонического отклика МФХС влияние диффузии приводит к возникновению реакционно-диффузионных волн (РДВ) в виде распространяющихся фронтов и импульсов. Эти волны являются волнами фазы и проявляются в равномерном (с постоянной скоростью) смещении вдоль широтного круга резких скачков начальной фазы. В случае осцилляций с периодом 2 и 4 суток РДВ распространяются только в восточном направлении, т.е. против вращения Солнца. Эти волны вызываются наличием зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности и в искусственно заданных условиях фазовые перепады остаются неподвижными. В случае осцилляций с периодом 3 суток зональная неоднородность фазы внешнего воздействия играет второстепенную роль, поэтому РДВ могут распространяться в обоих направлениях.

В § 3.4 получены аналитические выражения для скоростей V обнаруженных волн. Показано, что в случае осцилляций с периодом 2 и 4 суток V~Dxx/L. В случае осцилляций с периодом 3 суток , где T-период осцилляций, знак плюс соответствует восточному направлению распространения, минус – западному. При характерных значениях основных параметров (Dxx и L) скорости РДВ могут достигать ~(100-300) км/сутки.

В § 3.5 пояснены основные отличия РДВ в МФХС от случая «классических» РДВ, возникающих в мультистабильных системах, а так же на примере фазовых фронтов двухсуточных осцилляций проведен анализ возможности регистрации атмосферных РДВ в реальных условиях мезосферы.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.