Физические исследования и математическое моделирование крупномасштабных геофизических экспериментов
Покупка
Тематика:
Математическое моделирование
Издательство:
Интеллект
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 800
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-91559-257-4
Артикул: 779277.01.99
Изложены результаты исследований и численное моделирование ионизационно-химических, оптических и магнитогидро-динамических характеристик возмущенных областей, образующихся при крупномасштабных геофизических экспериментах в околоземном космическом пространстве. Значительное место уделено физическому анализу рассматриваемых явлений и разработке, адаптированных к ним, численных алгоритмов. Материал книги, главным образом, основан на опубликованных работах авторов.
Монография рассчитана на научных сотрудников, специализирующихся в области физики ионосферной плазмы, лабораторных исследований плазменных течений и распространения заряженных частиц. Первая часть будет полезна студентам старших курсов и аспирантам соответствующих специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 03.04.01: Прикладные математика и физика
- 03.04.02: Физика
- 04.04.02: Химия, физика и механика материалов
- 16.04.01: Техническая физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Е.Л. Ступицкий, А.С. Холодов Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (государственный университет) Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ИНСТИТУТ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Российской академии наук 2018 МОИ ПЕРВЫЕ КНИГИ ПО АСТРОНОМИИ А.В. Урысон О ЗВЕЗДАХ 2019
Å.Ë. Ñòóïèöêèé, À.Ñ. Õîëîäîâ Ôèçè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ è ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå êðóïíîìàñøòàáíûõ ãåîôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòîâ: Ìîíîãðàôèÿ / Å.Ë. Ñòóïèöêèé, À.Ñ. Õîëîäîâ – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2019. – 800 ñ. ISBN 978-5-91559-257-4 Èçëîæåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé è ÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå èîíèçàöèîííî-õèìè÷åñêèõ, îïòè÷åñêèõ è ìàãíèòîãèäðîäèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê âîçìóùåííûõ îáëàñòåé, îáðàçóþùèõñÿ ïðè êðóïíîìàñøòàáíûõ ãåîôèçè÷åñêèõ ýêñïåðèìåíòàõ â îêîëîçåìíîì êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå. Çíà÷èòåëüíîå ìåñòî óäåëåíî ôèçè÷åñêîìó àíàëèçó ðàññìàòðèâàåìûõ ÿâëåíèé è ðàçðàáîòêå, àäàïòèðîâàííûõ ê íèì, ÷èñëåííûõ àëãîðèòìîâ. Ìàòåðèàë êíèãè, ãëàâíûì îáðàçîì, îñíîâàí íà îïóáëèêîâàííûõ ðàáîòàõ àâòîðîâ. Ìîíîãðàôèÿ ðàññ÷èòàíà íà íàó÷íûõ ñîòðóäíèêîâ, ñïåöèàëèçèðóþùèõñÿ â îáëàñòè ôèçèêè èîíîñôåðíîé ïëàçìû, ëàáîðàòîðíûõ èññëåäîâàíèé ïëàçìåííûõ òå÷åíèé è ðàñïðîñòðàíåíèÿ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö. Ïåðâàÿ ÷àñòü áóäåò ïîëåçíà ñòóäåíòàì ñòàðøèõ êóðñîâ è àñïèðàíòàì ñîîòâåòñòâóþùèõ ñïåöèàëüíîñòåé. Èçäàíèå îñóùåñòâëåíî ïðè ôèíàíñîâîé ïîääåðæêå Ðîññèéñêîãî ôîíäà ôóíäàìåíòàëüíûõ Èññëåäîâàíèé ïî ïðîåêòó ¹ 18-12-00030 © 2018, Å.Ë. Ñòóïèöêèé, À.Ñ. Õîëîäîâ © 2019, ÎÎÎ «Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå ISBN 978-5-91559-257-4
ОГЛАВЛЕНИЕ П р е д и с л о в и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 В в е д е н и е . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 ЧАСТЬ I. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ И УРАВНЕНИЯХ, ОПИСЫВАЮЩИХ КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СРЕДЫ ДЛЯ ОПИСАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1. Уравнения динамики газа в приближении сплошной среды . . . . 19 1.1.1. Интегральная форма уравнений в переменных Лагранжа . 19 1.1.2. Интегральная форма уравнений в переменных Эйлера . . . 22 1.1.3. Уравнения динамики газа в дифференциальной форме . . . 23 1.2. Использование кинетического подхода для получения уравнений динамики газоплазменной среды . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3. Физические процессы и уравнения, описывающие односкоростное неравновесное течение частично-ионизованного газа. . . . . . . . . 37 1.3.1. Односкоростное приближение для описания неравновесного течения высокотемпературного одноатомного газа . . . . . . 38 1.3.2. Некоторые особенности кинетических процессов в частично-ионизованном молекулярном газе . . . . . . . . . . 46 1.3.3. Схема химических реакций с учетом возбуждения метастабильных электронных состояний атомов и молекул 48 1.3.4. Колебательная кинетика и ее влияние на температуру. . . . 50 1.3.5. Равновесное приближение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 1.4. Одножидкостное приближение для проводящей смеси газов . . . 59 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Глава 2. СКОРОСТЬ ОБМЕНА ИМПУЛЬСОМ И ЭНЕРГИЕЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦ В МНОГОСКОРОСТНОЙ ПЛАЗМЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.1. Интеграл столкновений и общая структура выражений для скоростей передачи импульса и энергии . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.2. Скорость обмена импульсом Rαβ . Анализ сечений . . . . . . . . . . . 72
Оглавление 4 2.3. Скорости кинетических процессов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.4. Скорость обмена энергией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 2.5. Сводка выражений для скорости обмена импульсом и энергией в упругих столкновениях между компонентами многоскоростной плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Глава 3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ . . . . . . . . . . . . 96 3.1. Уравнения Максвелла и исходные представления об описании электродинамических процессов . . . . . . . . . . . . . . 96 3.2. Дрейфовое движение заряженных частиц в отсутствии столкновений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.2.1. Электрический дрейф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.2.2. Градиентный дрейф (неоднородные B-поля) . . . . . . . . . . . 107 3.2.3. Центробежный дрейф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.2.4. Поляризационный дрейф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.3. Дрейф заряженных частиц с учетом столкновений. Проводимость плазмы в стационарных полях . . . . . . . . . . . . . . 112 3.4. Адиабатические инварианты и диамагнитный дрейф плазмы . . . 116 3.5. Общие закономерности распространения электромагнитных волн в холодной плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.6. Коллективные процессы в плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.6.1. Общая характеристика колебательно-волновых процессов. 138 3.6.2. Краткий анализ микронеустойчивостей и их влияний на взаимодействие ионов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 ЧАСТЬ II. ИОНОСФЕРНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Глава 4. ИОНОСФЕРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С БАРИЕВЫМИ СГУСТКАМИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.1. Неравновесные процессы при разлете бариевого облака в поле солнечного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.2. Физическая модель стратификации легкоионизируемого облака нейтрального газа, разлетающегося в геомагнитном поле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.3. Численное моделирование стратификации легкоионизируемого газового облака, разлетающегося в геомагнитном поле. . . . . . . . 171 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Глава 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ИОНОСФЕРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПЛАЗМЕННЫМИ СТРУЯМИ И ИХ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.1. Исследование релаксации частично-ионизованного газа при течении в сопле. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.1.1. Ионизационно-рекомбинационная релаксация . . . . . . . . . 180
Оглавление 5.1.2. Поуровневая модель релаксации ксеноновой плазмы при её истечении в сопле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.2. Плазменная струя в геомагнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 5.2.1. Начальное ионизационно-термодинамическое состояние плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 5.2.2. Пространственно – динамические характеристики плазменной струи в начальной стадии расширения. . . . . . 203 5.2.3. Результаты расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 5.2.4. Анализ поведения плазменной струи в эксперименте «Северная звезда» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 5.3. Динамика и кинетика лазерной плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 5.3.1. Начальные параметры лазерной плазмы . . . . . . . . . . . . . . 220 5.3.2. Динамика и кинетика лазерной плазмы при разлете в вакуум.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.3.3. Разлет лазерной плазмы в однородном магнитном поле . . 245 5.3.4. Фотоионизация фоновой среды излучением лазерной плазмы и электромагнитные процессы в фоновой среде . . 253 5.3.5. Взаимодействие потоков лазерной плазмы. . . . . . . . . . . . . 277 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Глава 6. ДИНАМИКА ПЛАЗМЕННОГО СГУСТКА НА НАЧАЛЬНОЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ СТАДИИ ДВИЖЕНИЯ В РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 6.1. Физическая картина формирования и динамики тороидального плазменного сгустка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 6.2. Приближенный численный анализ поведения тороидального газового сгустка в отсутствии магнитного поля. Модельная задача. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 6.3. Физико-математическая постановка задачи о начальной стадии динамики тороидального плазменного сгустка . . . . . . . . 298 6.4. Обсуждение результатов расчета, выполненных в адиабатическом приближении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 6.5. Расчет начальной стадии динамики ТПС в полной постановке. Сравнение с адиабатическим приближением.. . . . . . . . . . . . . . . 313 6.6. Исследование распространения ТПС в разреженной верхней атмосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 6.7. Оценка воздействия разреженного высокоскоростного потока частиц на поверхность твёрдого тела. . . . . . . . . . . . . . . . 325 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Глава 7. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ИОНОСФЕРУ ЗЕМЛИ НАПРАВЛЕННОГО ПОТОКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ОТ НАЗЕМНОГО ИСТОЧНИКА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 7.1. Энергетические и геометрические характеристики луча . . . . . . . 337 7.2. Краткий анализ состояния вопроса по исследованию воздействия направленного радиолуча на нижнюю ионосферу. . 340 7.3. Анализ кинетических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Оглавление 6 7.4. Метод и некоторые результаты расчета системы кинетических уравнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 7.5. Результаты расчета и их анализ при воздействии радиолуча . . . . 350 7.6. Анализ развития разогретой возмущенной области в нижней ионосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 ЧАСТЬ III. ФИЗИКА РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА. . . . . . . . . . . . . . . . 368 Глава 8. НАЧАЛЬНАЯ СТАДИЯ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 8.1. Геофизические плазменные эксперименты на больших высотах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 8.2. Радиационно-газодинамическая стадия разлета плазмы . . . . . . . 375 8.3. Ионизационные и динамические характеристики плазмы на инерционной стадии разлета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 8.4. Линейчатое излучение быстро расширяющейся плазмы . . . . . . . 389 8.5. Оценка возможности лазерного эффекта в больших объемах расширяющейся неравновесной плазмы . . . . . . . . . . . . 398 8.6. Инерционная стратификация разлетающегося многокомпонентного газового сгустка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 8.6.1. Физическое содержание явления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 8.6.2. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 8.6.3. Численные исследования. Анализ результатов. . . . . . . . . . 411 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 Глава 9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ С РАЗРЕЖЕННЫМ ЧАСТИЧНО-ИОНИЗОВАННЫМ ВОЗДУХОМ И ГЕОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 9.1. Столкновительные взаимодействия плазмы и воздуха . . . . . . . . 423 9.2. Механизмы торможения плазмы, связанные с геомагнитным полем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 9.2.1. Формирование диамагнитной стенки при разлете плазмы в вакуум и ее влияние на структуру течения . . . . . 436 9.2.2. Магнитный ламинарный механизм Лонгмайра . . . . . . . . . 442 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 Глава 10. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ КРУПНОМАСШТАБНОГО ПЛАЗМЕННОГО ТЕЧЕНИЯ В НЕОДНОРОДНОЙ ИОНОСФЕРЕ И ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 10.1. Постановка задачи и краткое описание вычислительного алгоритма. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 10.2. Пространственно-временная структура плазменного течения при взрывах на высотах 100–120 км . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Оглавление 10.3. Структура плазменных течений при взрывах в верхней ионосфере на h = 120÷300 км . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 10.4. Структура плазменного течения при магнитосферных взрывах. . 473 10.5. Динамика плазмы при большой мощности взрыва. . . . . . . . . . . 484 10.6. О возможности развития желобковой неустойчивости на фронте расширяющегося плазменного облака . . . . . . . . . . . . 492 10.7. Взаимодействие двух сгустков плазмы высокой энергии в ионосфере. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 10.8. Приближенный метод оценки ионизационных характеристик плазмы по результатам численного моделирования динамики плазменного сгустка высокой удельной энергии в верхней ионосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 10.9. Приближенный метод оценки локализации плазмы взрыва после торможения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515 10.9.1. Однородная среда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517 10.9.2. Неоднородная среда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 Глава 11. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ КОСМИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ, В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528 11.1. Ионизационные процессы в плазме космического взрыва на начальной стадии разлета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 11.2. Физические процессы, сопровождающие передачу энергии от расширяющейся плазмы взрыва окружающей среде. . . . . . . . 538 11.2.1. Исследование формирования ударно-волновой структуры. . 539 11.2.2. Физическое моделирование процессов взаимодействия разлетающейся плазмы взрыва с геомагнитным полем. . . 546 11.2.3. Бесстолкновительное взаимодействие разлетающейся плазмы взрыва с замагниченной разреженной ионосферой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 11.3. Экспериментальные исследования некоторых особенностей крупномасштабного течения плазмы взрыва в околоземном космическом пространстве на поздней стадии развития . . . . . . . 564 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 ЧАСТЬ IV. ПРОНИКАЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ИОНИЗАЦИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЗДУХА . . . . . 578 Глава 12. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 12.1. Оценка пробега проникающих излучений в воздухе . . . . . . . . . . 580 12.2. Постановка задачи об определении энергетического спектра электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
Оглавление 8 12.3. Метод и результаты расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590 12.4. Распределение энергий по каналам неупругих процессов . . . . . . 595 12.5. Оценка коэффициента поглощения электромагнитных волн . . . 598 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600 Глава 13. ОБЛАСТИ ХОЛОДНОЙ ИОНИЗАЦИИ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СВЕЧЕНИЯ, СОЗДАВАЕМЫЕ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ РЕНТГЕНОВСКИМ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602 13.1. Расчет скоростей фотопроцессов, обусловленных действием солнечного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 13.2. Анализ процессов фотопоглощения рентгеновского излучения в верхней атмосфере и образования начального энергетического спектра фотоэлектронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . 610 13.3. Возбуждение электронных состояний атомов и молекул и свечение воздуха в видимом диапазоне спектра. . . . . . . . . . . . 619 13.4. Инфракрасное излучение верхних слоев атмосферы, возмущенной рентгеновским излучением космического ядерного взрыва. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 13.4.1. Параметры естественной атмосферы, как начальные условия для определения ИК-излучения при воздействии импульса рентгеновского излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . 626 13.4.2. Коэффициенты инфракрасного излучения верхних слоев возмущенной атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629 13.5. Ионизация верхней атмосферы рентгеновским и гамма-излучением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648 Глава 14. БЕТА-ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651 14.1. О механизме, энергетическом спектре и активности β-распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651 14.2. Физическая картина динамики β-электронов при геофизических экспериментах в верхней атмосфере . . . . . . 656 14.3. Динамика β-электронов при взрывах в нижней ионосфере. . . . . 660 14.4. Исследование влияния самосогласованного электрического поля на эмиссию β-электронов из плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . 671 14.5. Методика расчета потока бета-электронов внутри плазменной каверны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685 14.6. Динамика бета-электронов вдоль силовых линий геомагнитного поля: энерговыделение и ионизация с учетом реального спектра β-электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . 698 14.7. Движение β-электронов в магнитосопряженную область с учетом электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704 14.7.1. Расчет движения бета-электронов в ближнюю МСО методом плазменных листов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704
Оглавление 14.7.2. Динамика бета-электронов в дальнюю МСО . . . . . . . . . . 711 14.7.3. Анализ возможности использования гидродинамического приближения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731 Глава 15. ВЛИЯНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 15.1. Современные направления исследований аэрозольной плазмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 15.2. Равновесная ионизационно-химическая модель . . . . . . . . . . . . . 737 15.3. Конденсационная модель образования микрочастиц и термоэмиссии электронов с их поверхности в условиях равновесия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738 15.4. Обсуждение результатов расчета. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 15.5. Влияние ионизирующего излучения на характеристики плазмы с дисперсной фазой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744 15.6. Постановка и решение неравновесной кинетической задачи . . . 748 15.7. Обсуждение результатов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756 ПРИЛОЖЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758 1. Энергия диссоциации и ионизации основных и малых составляющих атмосферы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 2. Характеристики основных излучающих компонент атмосферы, связанных с электронными переходами в атомах и молекулах . . . 764 3. Колебательные кванты основных молекулярных компонент воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768 4. Ионные связки (кластеры) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769 5. Схема кинетических процессов в воздухе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 770 6. Характеристики атомов и молекул некоторых примесей и схема их основных кинетических процессов с воздухом . . . . . . 788 7. Элементный состав ионосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793 Соотношение между единицами и некоторые формулы . . . . . . . . . . . 795 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
Светлой памяти чл.-корр. РАН Баррикада Вячеславовича ЗАМЫШЛЯЕВА посвящается ПРЕДИСЛОВИЕ За последние десятилетия накопился большой экспериментальный материал по крупномасштабным геофизическим экспериментам в околоземном космическом пространстве (ОКП). Во многих из них для воздействия на ионосферу использовался легко ионизируемый газ или плазма. В основе изложенных в книге исследований лежит физический анализ рассматриваемых явлений и их аналитическое и численное моделирование. Отбор материала определялся, с одной стороны, актуальностью, с другой – кругом научных интересов авторов и их коллег, совместно с которыми выполнено большинство оригинальных публикаций. Книга написана, главным образом, на основе этих работ. Несмотря на определенное различие в самой природе рассматриваемых явлений, многие динамические и кинетические аспекты их развития имеют близкое физическое содержание, что дало возможность разработать достаточно общий методический аппарат, позволяющий не только вести исследования и получить конкретные результаты, но и прогнозировать развитие рассматриваемого физического направления по изучению плазменных ионосферных возмущений. Многие из изложенных в книге вопросов, связанных с физическим содержанием и численным моделированием, рассматривались авторами в спецкурсах, которые читались для студентов физико-технических специальностей. Поэтому она в первую очередь ориентирована на помощь молодым научным сотрудникам, аспирантам, а также студентам
Предисловие физических специальностей в изучении и математическом моделировании сложной и многообразной картины явлений, сопровождающих крупномасштабные геофизические плазменные эксперименты в ОКП. Крупномасштабная картина таких плазменных экспериментов носит уникальный характер. Для удобства понимания и использования математического аппарата в первой части книги дан вывод и анализ основных уравнений динамики и кинетики плазмы. Искреннюю благодарность выражаем академику Фортову В.Е. и академику Сону Э.Е. за полезные обсуждения материала книги. Некоторые физические и прикладные вопросы особенно по мощным взрывам в верхней атмосфере были поставлены и решались под руководством чл.-корреспондента РАН Б.В. Замышляева. Безошибочное критическое чутье, глубокая физическая интуиция и острота реакции помноженная на редкую доброжелательность, превращали общение с Б.В. Замышляевым в настоящую школу для молодых ученых. Авторы выражают свою благодарность Морозову Д.В. и Моторину А.А. за большую помощью в проведение численных расчетов и плодотворное сотрудничество, а также особую признательность и благодарность за совместную работу и содействие при подготовке книги Моисеевой Д.С.
ВВЕДЕНИЕ Ионизованную область верхней атмосферы называют ионосферой. Она состоит из трех более или менее разделенных слоев, называемых областями D, E и F: D-область — h = 60–90 км; ne ≈ 102–104 см–3 днем, E-область — h = 105–160 км; ne ≈ 105 см–3 днем, F-область — выше 180 км, ne ≈ 106 см–3 днем. Ночью величина ne примерно на порядок меньше, высота максимума сильно варьирует около среднего значения 300 км. Типичные высотные профили ne в среднеширотной ионосфере показаны на рис. 1. В дневное время, особенно летом, область F состоит из двух слоев, обозначаемых F1 и F2, однако для рассматриваемого круга вопросов это разделение не имеет значения. В каждой области ионосферы имеется зона с заметно выраженной максимальной концентрацией электронов, величина этих максимумов возрастает при переходе от области D к областям E и F. Ночью, когда новые электроны под действием солнечного излучения не возникают, концентрация свободных электронов в ионосфере уменьшается более чем на порядок величины. Особенно сильное снижение ne ночью наблюдается в областях D и E. Важными характеристиками атмосферы при анализе ионизованного состояния являются температура и химический состав воздуха. Существует схематизация вертикальной структуры атмосферы в соответствии с высотным профилем температуры. На рис. 2 показано деление атмосферы на области, в которых определяющие физические и химические процессы различны и, соответственно, различно поведение температуры воздуха. В тропосфере температура падает с ростом высоты, ее поведение здесь определяется лучистым и конвективным теплообменом. В стратосфере действие солнечного излучения приводит к образованию озона O3, который поглощает как ультрафиолетовое, так и инфракрасное излучение и тем самым вызывает
Введение повышение температуры. Уменьшение содержания O3 и увеличение скорости охлаждения воздуха в мезосфере за счет передачи энергии молекулам CO2, которые способны сбрасывать (излучать) энергию колебательного и вращательного возбуждения в виде фотонов инфракрасного излучения, вновь приводят к понижению температуры. Наконец, разогрев вследствие фотодиссоциации и ионизации O2 в термосфере приводит к увеличению температуры воздуха примерно до 1000 К (рис. 2). Рис. 1. Высотные профили концентрации электронов в среднеширотной атмосфере: сплошными линиями показан случай максимальной солнечной активности; штриховыми — минимальной Рис. 2. Профиль температуры воздуха в атмосфере Земли. Области атмосферы, определяемые градиентом температуры С высоты примерно 100 км электронная температура начинает превышать температуру тяжелых частиц (атомов и молекул) и в верхней термосфере достигает значения примерно 3000 К. Таким образом, верхняя атмосфера (h > 50 км) является существенно неравновесной средой как по температуре, так и по концентрации различных компонентов. Если говорить о возмущениях ионосферы антропогенной природы, то их можно с определенной степенью условности подразделить на следующие группы: возмущения, обусловленные действием на воздух квантов жесткого ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения; возмущения, связанные с прохождением через разреженную атмосферу пучков заряженных частиц – прежде всего, потоков высокоэнергетичных электронов; − −
Введение 14 возмущения, обусловленные воздействием на ионосферу мощного направленного потока радиоволн; термо- и магнитогазодинамические возмущения, создаваемые взрывом химических ВВ, ядерными взрывами или выбросами плазменных или нейтральных сгустков; химические возмущения, возникающие в результате выброса в атмосферу различных загрязняющих веществ в молекулярном или аэрозольном виде. При таких возмущениях в результате динамических, химических, ионизационных и фотопроцессов в области возмущения может меняться температура, состав воздуха и его свойства. Ионизация воздуха и образование плазменных областей существенно влияет на распространение радиоволн, а возбуждение электронных и колебательных уровней атомов и молекул меняет его оптические свойства. При этом уровень ионизации и свечения воздуха в различных спектральных диапазонах может на порядки превосходить значения естественной атмосферы. К настоящему времени в качестве активных методов исследования ионосферы уже проведено большое количество крупномасштабных геофизических экспериментов в ионосфере с исследованием плазмы. В связи с внедрением современных вычислительных средств в практику ионосферных исследований метод математического моделирования искусственных возмущений в последние годы бурно развивается и полученные этим методом результаты широко привлекаются для интерпретации данных, полученных в активных экспериментах. В данной работе изложены результаты теоретических исследований и численного моделирования лишь небольшого числа геофизических экспериментов в ионосфере, с интерпретацией которых в той или иной мере были связаны исследования авторов. Так как успех развития любого научного направления связан с привлечением в него молодых ученых, то в первой части данной работы изложены основные теоретические положения и уравнения для описания газодинамической среды в МГД-приближении. По-видимому, это будет полезно для студентов старших курсов и аспирантов. Далее изложены методология и результаты расчетно-теоретических исследований наиболее интересных, на наш взгляд, экспериментов, причем наибольшее внимание уделено геофизическим экспериментам с использованием ядерного взрыва. − − −
ЧАСТЬ I ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ И УРАВНЕНИЯХ, ОПИСЫВАЮЩИХ КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Г Л А В А 1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СРЕДЫ ДЛЯ ОПИСАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В исследовании физических явлений, сопровождающих крупномасштабные геофизические эксперименты (КМГЭ), как и при изучении других сложных физических явлений, важную роль играет разработка физико-математической модели изучаемого явления. Достаточно полная и адекватная модель явления должна не только правильно описывать его, но и быть удобной для численной реализации, что позволит не только получать и анализировать результаты эксперимента, но и прогнозировать его постановку в условиях изменения исходных параметров. Существует три способа математического описания поведения газа и плазмы: рассмотрение движения отдельных частиц — так называемый метод молекулярной динамики, метод кинетического уравнения для функции распределения частиц по скоростям и гидродинамический подход на основе модели сплошной среды. Первый способ применим только для очень разреженных сред, когда взаимодействием частиц можно пренебречь и каждую частицу можно рассматривать, движущейся только под действием внешних сил. Состояние системы в этом случае определяется полным набором координат и импульсов всех частиц. Такой подход в настоящее время успешно используется для решения некоторых задач разрушения поверхностного слоя материала под действием ионов высокой энергии [1], а также в численном исследовании аэрозольной плазмы [2]. С ростом концентрации индивидуальное описание частиц становится невозможным и прибегают к статистическому методу описания поведения частиц, в котором используется понятие вероятности — вероятное число частиц, находящееся в момент времени t в элементе физического объёма drс координатами от r до r dr +
Глава 1. Математические модели среды и обладающими скоростями от v до v dv + . Оно определяется величиной f r v t drv , , ( ) , где f r v t , , ( ) — функция распределения частиц, удовлетворяющая кинетическому уравнению Больцмана. Интегродифференциальный характер и нелинейность этого уравнения существенно ограничивает круг тех задач, которые могут быть решены на его основе. Если характерный масштаб описываемого явления велик по сравнению с длиной свободного пробега частиц, а характерные частоты много меньше частот столкновения частиц, то действительный интерес представляют лишь осреднённые характеристики среды, такие как плотность ρ r t, ( ), температура T r t , ( ) , скорость направленного движения , u r t ( ) , давление P r t , ( ). Описание среды с помощью этих осреднённых характеристик называется гидродинамическим или магнитогидродинамическим, если речь идет о проводящей среде в электромагнитном поле (МГД-приближение). Для решения некоторых задач динамики разреженной плазмы, где столкновительный критерий применимости МГД-приближения для ионов, строго говоря, не выполняется, используют так называемый гибридный подход, в котором электроны описываются в гидродинамическом приближении, а ионы — на основе бесстолкновительного приближения Власова. Последнее обстоятельство ограничивает применимость метода сравнительно короткими временами, а предположение о неучёте кинетики и диффузии поля делает описание многих явлений с помощью этого метода ещё более далеким от реальности, чем МГДприближение. Поэтому с помощью данного метода вряд ли можно рассчитывать на получение достаточно полной картины поведения плазмы в крупномасштабных экспериментах до времён, представляющих практический интерес. По-видимому, наиболее эффективно его можно использовать при исследовании частных вопросов, например, при анализе ламинарного механизма бесстолкновительного ускорения ионов окружающего частично ионизированного газа магнитным полем на фронте разлетающейся плазмы. С другой стороны, для плазмы в магнитном поле, даже при малых частотах столкновений частиц во многих случаях возможно МГД-описание, если характерный масштаб явления велик по сравнению с ларморовским радиусом ионов, а характерная частота много меньше циклотронной частоты. Таким образом, достаточно убедительное обоснование применимости того или иного приближения можно сделать лишь рассматривая условия конкретной задачи. Анализ показывает, что большинство явлений, происходящих при