РНП.2.2.1.1.3836 - Управление Научных Исследований СПбГУ
advertisement
Аннотация к отчету за 2 этап 2008 года по проекту № РНП.2.2.1.1.3836 АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» «Университетский научнообразовательный центр «Моделирование и мониторинг геосфер», руководитель Голицын Георгий Сергеевич Отчет представляет результаты исследования состояния различных геосфер – атмосферы, ионосферы, магнитосферы, построение математических моделей протекающих в них геофизических процессов, а также на развитие и использование различных методов дистанционного зондирования геосфер и состоит из 12 разделов. 1. Разработка алгоритмов и программ для создания новой методики наземных измерений ИК спектров поглощения солнечного излучения высокого спектрального разрешения и определения содержания парниковых и озоноразрушающих газов. Создание баз данных содержания парниковых и озоноразрушающих газов На кафедре физики атмосферы физического факультета СПбГУ завешено создание нового уникального спектрального комплекса для наземных измерений спектров солнечного излучения в широкой спектральной области 115 мкм. Спектральный комплекс состоит из Фурье-спектрометра Bruker FM120, автоматической солнечной следящей системы, светопроводов, систем термостабилизации, регистрации и архивирования данных измерений. Созданный спектральный комплекс предназначен для измерений спектров солнечного излучения с высоким спектральным разрешением (от 0.5 до 0.002 см-1), что позволяет определять до 20 различных парниковых, озоноразрушающих и загрязняющих атмосферных газов. Для эффективного использования нового уникального оборудования созданы новые алгоритмы и программы интерпретации наземных измерений с целью одновременного получения данных об общих содержаниях различных малых газовых составляющих (МГС) атмосферы. Основные особенности созданного программно-математического обеспечения (ПМО) следующие: 1. В качестве исходной спектроскопической информации используются международные данные о параметрах тонкой структуры полос поглощения МГС HITRAN-2004. 2. При расчетах функций пропускания учитывается селективное и континуальное поглощение всех важнейших газов земной атмосферы. 3. В алгоритмах и программах предусмотрен расчет вариационных производных солнечного излучения по параметрам физического состояния атмосферы (температуры и содержания МГС). 4. При расчетах оптических трасс в атмосфере учитывается рефракция. 5. Учет неоднородности атмосферных трасс осуществляется численным интегрированием без использования приближенных методик. 6. В качестве алгоритма решения обратной задачи используется метод статистической регуляризации. 7. В качестве априорной информации в методе статистической регуляризации используются эмпирические и модельные ковариационные матрицы искомых параметров. 8. Алгоритмы и программы позволяют рассчитывать погрешности решения обратной задачи с учетом различных источников ошибок – ошибок измерений, задания априорной информации, неопределенностей задания температуры и давления и т.д. 9. Осуществляется расчет информационных характеристик дистанционных измерений газового состава атмосферы. 10. В созданном ПМО предусмотрен режим численных экспериментов, позволяющий анализировать погрешности восстановления отдельных реализаций состояния атмосферы. На основе регулярных наземных спектроскопических измерений с помощью спектрометра среднего спектрального разрешения СИКС-2 и автоматического спектрального комплекса в видимой области спектра созданы базы данных содержания CH4 , СО, О3 и NO2 (cмотри, сайты http://troll.phys.spbu.ru/Personal_pages/Ionov/ksvu.rus/ksvu.htm и http://troll.phys.spbu.ru/Personal_pages/Makarova/welcome.html.) 2. Анализ погрешностей нового спутникового метода определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков (ПСО). Создание баз данных оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля и ПСО Проведены численные исследования потенциальной точности определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля с помощью нового спутникового метода, использующего измерения спектров рассеянного солнечного излучения горизонта Земли. Расчеты были проведены для прибора SAGE III, функционировавшего на МИСЗ «Метеор» в рамках совместного российско-американского космического эксперимента. При решении прямой задачи использовался радиационный код SCIATRAN для большого массива (1200 реализаций) состояний атмосферы. Решение обратной задачи осуществлялось с помощью метода статистической регуляризации и метода линейной множественной регрессии. Расчеты погрешностей восстановления вертикальных профилей оптических характеристик стратосферного аэрозоля были осуществлены на основе двух подходов к решению обратной задачи: 1. Восстановление коэффициента аэрозольного рассеяния (КАР) при заданном параметре асимметрии (ПА) (метод статистической регуляризации). 2. Одновременное восстановление КАР и ПА (метод множественной линейной регрессии). Расчеты показали, что погрешности восстановления КАР для прибора SAGE III составляют 2030 % в зависимости от высоты в атмосфере и длины волны. При этом происходит уменьшение априорной неопределенности задания КАР в 56 раз. Информативность измерений ПА для данной схемы измерений невелика, но учет реальных вариаций ПА в атмосфере необходим для корректных оценок точности дистанционного спутникового метода определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля. На основе обработки большого массива данных измерений спутниковой аппаратуры SAGE III создана база данных по оптическим и микрофизическим характеристикам стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков (ПСО) (смотри, сайт http://troll.phys.spbu.ru/Personal_pages/Polyakov/sage/v3s/sage-v3s.html) 3. Новые закономерности влияния динамического переноса энергии из нижней атмосферы на циркуляцию и крупномасштабные движения в средней и верхней атмосфере Для интерпретации натурных измерений выполнено усовершенствование компьютерных программ расчета характеристик набора гармоник внутренних гравитационных волн (ВГВ), моделирующих спектр мезомасштабных волн в атмосфере. Имеющаяся в Санкт-Петербургском государственном университете программа производит расчеты для набора гармоник ВГВ с различными значениями частот, горизонтальных фазовых скоростей и азимутов распространения волновых гармоник. Выполнены расчеты амплитуд гравитационных волн и коэффициентов турбулентной диффузии в тропо-стратосфере для климатических данных о вертикальных профилях ветра и температуры в Шигараки, Япония, где производились одновременные радарные и озонозондовые измерения динамических характеристик атмосферы. Показано, что резкое изменение вертикального градиента температуры в области тропопаузы может приводить к росту амплитуд и неустойчивости гравитационных волн. Создаваемая при этом повышенная турбулентность может делать область тропопаузы более прозрачной для диффузии озона и других газовых примесей через тропопаузу. Для изучения чувствительности общей циркуляции средней атмосферы к различным широтным распределениям волновых источников были выполнены расчеты по модели КОММА-СПБУ для их различных широтных распределений. Для задания глобальных распределений активности мезомасштабных волновых источников в тропо-стратосфере используются данные о дисперсиях вариаций показателя преломления атмосферы, измеряемые ГПС спутником CHAMP (см. отчет по проекту за 2007 г.). Модель КОММАСПБУ включает численную модель общей циркуляции средней атмосферы и модель, достаточно точно описывающую генерацию, распространение и разрушение внутренних гравитационных волн в средней атмосфере. Анализ расчетов показывает, что структура общей циркуляции средней атмосферы наиболее чувствительна к значениям интенсивности волновых источников в средних широтах. 4. Методика параметризации гигроскопических свойств частиц дымового аэрозоля. Термодинамическая модель формирования облачных капель при гетерогенной нуклеации водяного пара на частицах дымового аэрозоля различного состава Разработана методика параметризации гигроскопических свойств дымового аэрозолей, учитывающая как аморфную, так и кристаллическую природу частиц. На примере однокомпонентных органических аэрозолей, показана применимость термодинамической модели Флори-Хаггинса для определения активности воды в частицах с аморфной структурой. Данная модель успешно использована для расчета параметров гигроскопического роста и облачной активации модельных частиц и частиц дымового аэрозоля. Установлено, что параметризация, созданная на ее основе, позволяет с хорошей точностью (не хуже 2 %) предсказывать особенности поглощения воды органическими частицами с аморфной фазой. Показано, что вклад органического компонента в процессы гигроскопического роста и облачной активации дымовых частиц может быть учтен в рамках аддитивной модели Ждановского-Стокса-Робинсона при условии, что расчет активности воды для органической фракции осуществляется на основе теории Флори-Хаггинса. 5. Метод расчета НЧ электромагнитных полей в трехмерном горизонтальнонеоднородном волноводе Земля-ионосфера и их приложения в исследованиях локальных возмущений нижней ионосферы Представлен метод решения 3D задач распространения СДВ и ДВ (до 100 кГц) с учетом локальных неоднородностей нижней ионосферы на приземной продольно неоднородной трассе. По заданным ионосферным профилям концентрации, частоты соударений электронов и проводимости земной поверхности строится эффективная импедансная модель волновода. Поле точечного источника определяется из двумерного интегрального уравнения (либо из системы уравнений), метод решения которого асимптотический в сочетании с полуобращением и последовательными приближениями. Метод применим как для малых, так и больших неоднородностей, которые располагаются в волновой зоне ( kr 1 ) от источника или точки наблюдения. Описанный метод применим для сферической модели приземного волновода и позволяет в векторной постановке учитывать анизотропию ионосферы. 6. Теория излучения электромагнитного поля излучателями в присутствии приземных трехмерных неоднородностей, расположенных вблизи источника Излучение электромагнитных полей низкочастотных диапазонов исследовано с точки зрения повышения эффективности антенных систем, расположенных вблизи трехмерных неоднородностей. Анализируются как наземные, так и ионосферные модели излучения, а излучатели могут располагаться как в наземных условиях с неоднородностями определенной формы и заполнения, так и в ионосферной плазме с неоднородностями электронной плотности пониженной или повышенной концентрации, имеющими конечный размер и являющимися результатом естественных или искусственных процессов (высыпание частиц или антропогенная деятельность). Исследование зависимости поля от геометрических и физических свойств близко расположенных трехмерных неоднородностей проводится в рамках разрабатываемого нами нового направления в теории дифракции – исследования полей излучателей, расположенных вблизи границ раздела сложной формы, включающей неодносвязные области. В случае сферической неоднородности построено решение задачи рассеяния двух источников методом разделения переменных, и в приближении квазистатики получено аналитическое выражение для компонент электромагнитного поля. Проведен анализ зависимости поля от малого электрического размера сферической неоднородности и от ее диэлектрической проницаемости. В случае сфероида решение представлено в сферических потенциалах Герца и переразложено по сфероидальным волновым функциям. 7. Численная модель воздействия землетрясений и мощных взрывов на атмосферу Земли Сейсмические источники и мощные взрывы создают возмущения в ионосферной плазме. Информация о пространственно-временной структуре этих возмущений может быть получена на основе зондирования (например, методом доплеровского смещения частоты). Эта информация позволяет получить дополнительные сведения о землетрясениях и о взрывах. Внедрение такой системы в сейсмоопасных регионах является полезным для мониторинга землетрясений. Численно и теоретически исследуется возмущение атмосферы и ионосферы в результате воздействия мощных источников: землетрясений, сильных взрывов, ударных волн с помощью аналитических методов построения асимптотических представлений при наличии малых параметров и численного моделирования на базе пакетов ANSYS 10.0. За отчетный период получены следующие основные результаты работы: 1. Завершены начатые в 2007 г. теоретические исследования по эволюции сильных ударных волн в атмосфере Земли. 2. Проведены теоретические исследования по воздействию сильных ударных волн на слабоионизированную неизотермическую плазму, сделана оценка обратного влияния плазменных возмущений на нейтральную компоненту. 3. Проведено компьютерное моделирование воздействия землетрясений и взрывов на атмосферу. 8. Метод параболического уравнения в задаче распространения радиоволн в неоднородном волноводе Описание распространения электромагнитных волн СДВ диапазона, возбуждаемых околоземными источниками в трёхмерно неоднородном анизотропном волноводе Земляионосфера, осуществлено путём выделения трассы распространения радиоволн в волноводе, перехода от системы уравнений Максвелла к паре связанных уравнений Гельмгольца, перехода от пары уравнений Гельмгольца к паре параболических уравнений и применения к паре параболических уравнений прямого численного интегрирования. Разработаны практические методы расчёта электромагнитных полей СДВ диапазона, создаваемых в волноводном канале Земля–ионосфера молниевыми разрядами, приземным горизонтальным электрическим током, а также искусственными источниками. Осуществлен последовательный учёт неоднородности ионосферы в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также её анизотропии, индуцируемой геомагнитным полем. 9. Научно-методический подход для количественного анализа сильных аномальных СДВ возмущений, порождаемых вторжением в полярную среднюю атмосферу ультрарелятивистских электронов В результате многолетней совместной исследовательской работы двух институтов ПГИ КНЦ РАН и НИИ радиофизики СПбГУ (1985–2005 гг.) косвенным методом (СДВ методом) было обнаружено новое геофизическое явление, не регистрируемое традиционными геофизическими методами и не регистрируемые на геофизических спутниках из-за непригодности используемых на них детекторов для измерения потоков ультрарелятивистских электронов (100 МэВ). В рамках данного исследования рассматривались два аспекта вышеназванного геофизического явления: 1) пространственный масштаб явления и 2) чисто методический вопрос, связанный с численной корректностью решения обратной СДВ задачи, а именно с вопросом устойчивости найденного решения. Решение обратной СДВ-задачи лежит в основе утверждения о существовании исследуемого геофизического явления. В настоящем исследовании рассматривались 2 радиотрассы, одна из которых чисто авроральная и имеет среднюю протяженность (885 км), а вторая радиотрасса длинная (2400 км) и частично авроральная. Обе трассы сходятся в одну точку на Кольском полуострове, в которой осуществлялся прием радиосигналов. Проведен сопоставительный количественный анализ всех аномальных СДВвозмущений для полностью авроральной и частично авроральной радиотрасс за 5 летний период непрерывной регистрации (не менее 90 % всего календарного срока) с 1982 по 1986 гг. с целью получения исходных данных для одновременного решения обратной СДВ задачи для двух названных радиотрасс. В результате экспериментально доказано, что источник, ионизирующий северную часть длинной радиотрассы, контролируется магнитным полем Земли и имеет корпускулярную природу. Полученные результаты дополняют ранее признанный научной общественностью наш вывод о существовании нового геофизического явления, порожденного высыпанием ультрарелятивистских электронов в полярную атмосферу. 10. Методика построения адаптивных моделей магнитосферы; банк данных динамических моделей магнитосферы по данным группировки спутников THEMIS; анализ точности стандартных магнитосферных моделей. Создаваемая «динамическая модель» магнитосферы не имеет аналогов, предшествующие модели носили статистический характер и были получены осреднением данных, относящихся к разным динамическим состояниям. Разработана методика построения адаптивных моделей магнитосферы подстройкой к текущим спутниковым измерениям. На ее основе по данным измерений группировки спутников THEMIS в сезон 2008 г. создан банк данных динамических моделей магнитосферы доступный в Интернете. Впервые путем сравнения с адаптивными моделями получены независимые статистические данные о точности стандартных магнитосферных моделей и о наличии систематических различий магнитосферной конфигурации в разных динамических состояниях. 11. Метод комплексирования результатов миграции однократных и многократных сейсмических волн, зарегистрированных по схеме вертикального сейсмического профилирования Качество восстановления параметров подземной среды методом миграции (обратного продолжения) волнового поля с использованием поверхностных сейсмических наблюдений и данных вертикального сейсмического профилирования (ВСП) сильно зависит от используемой скоростной модели подземной среды. Кроме традиционно используемых при ВСП однократных волн, в настоящее время проводится ряд исследований по дополнительному использованию многократных волн. Такого рода исследования являются новыми. Комплексирование различных типов волн должно привести к повышению точности определения сейсмических параметров среды и положения сейсмических границ. Предлагается метод уточнения скоростной модели среды по данным ВСП. Метод заключается в совместном использовании обратных продолжений волновых полей отраженной волны и волны, претерпевшей дополнительное отражение от дневной поверхности. Уточнение скоростной модели среды рассматривается как оптимизационная задача, где в качестве критерия используется мера близости двух образов среды, полученных обратным продолжением волновых полей, отвечающих двум типам волн. Метод позволяет восстанавливать скоростную модель среды под сейсмическим приемником, расположенным в скважине. Для ряда простых моделей слоистых сред методом численного моделирования проведено исследование точности восстановления скоростной модели среды. Показано, что восстановление скорости с высокой точностью возможно для областей, находящихся ниже точек наблюдения, расположенных в скважине. В настоящее время проведено численное моделирование работоспособности метода на ряде моделей сейсмических сред. После адаптации метода к реальным сейсмическим возможно внедрение метода в практику обработки сейсмических данных на этапе уточнения скоростной модели среды. Высокая точность получаемых методом скоростных характеристик сейсмической среды позволяет рассматривать метод как перспективный при восстановлении изображений подземной среды, в частности, для разведки резервуаров углеводородов. 12. Оценка характера зависимости (стационарность, нелинейность) между внешними факторами и климатическими вариациями. Определение зависимости вариаций оптических свойств атмосферы от солнечного сигнала на разных временных масштабах В результате проведенного вейвлетного анализа инструментальных рядов глобальной температуры, а также фазовых соотношений изменений солнечной и вулканической деятельности за 18801995 гг. показано, что причиной наблюдаемой во второй половине XX-го века декадной вариации глобальной температуры является результат комбинированного воздействия на климат солнечной активности и вулканической деятельности. Ключевую роль в этом сыграло фазовое соотношение между сильными вулканическими извержениями и солнечными циклами. Солнечный сигнал проявляется в вариациях климата лишь при соответствующей фазовой привязке вулканической деятельности к солнечному циклу. Именно тогда складываются благоприятные условия для раскачки декадных климатических колебаний, как это имело место во второй половине XX-го века после сильных извержений вулканов.
