6. Глобальная модель верхней атмосферы Земли (калининградская и мурманская версии).

Любая численная модель среды представляет собой в конечном итоге пакет компьютерных программ, позволяющих рассчитать поведение физических параметров среды в пространстве и во времени.

Калининградская модель охватывает все широты и долготы Земли, а по высоте она включает интервал от 80 километров над поверхностью Земли до геоцентрического расстояния в 15 R_E. Она является самосогласованной в том смысле, что учитывает взаимозависимость процессов, протекающих в разных "сферах" околоземной среды. Математически это выражается в совместном решении уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц различных сортов, а также уравнения для потенциала электрического поля (магнитное поле считается заданным).

Система этих дифференциальных уравнений записывается в т.н. "конечно-разностном" виде, когда производные представляются в виде отношений малых, но конечных разностей значений неизвестных функций и их аргументов, взятых в т.н. "узлах разностной сетки", то есть на пересечениях линий, которыми моделируемое пространство и время разбиты на дискретные области.

Чем гуще сетка, то есть чем мельче эти области и, соответственно, больше узлов, тем точнее приближённое численное решение, но при этом необходимо одновременно хранить в оперативной памяти компьютера огромное количество известных и искомых величин и оперировать с ними, сохраняя затем полученный результат на носителях памяти огромной ёмкости. Собственно, только компьютерная революция двух последних десятилетий (рост информационной ёмкости и производительности компьютеров при миниатюризации их элементов) и позволила создавать такие модели среды, воспроизводящие всё более тонкие детали её поведения.

Наиболее сложные физические явления в верхней атмосфере протекают в высоких широтах, где осуществляется прямая связь ионосферы и нейтральной атмосферы через магнитосферу с солнечным ветром. Для описания этих явлений требуется более высокая точность моделирования, то есть более высокое пространственное и временное разрешение модели (характерный масштаб по широте, например, составляет не 1000 км, как в средних широтах, а 100 км или даже менее).

Именно для этих целей в Полярном Геофизическом Институте и на кафедре физики Мурманского Государственного Технического Университета была осуществлена модификация калининградской модели: было повышено широтное разрешение, которое стало переменным (разрешение можно увеличивать как глобально, так и в выбранных широтных участках), нижняя граница модели также сделана изменяемой по высоте, позволяя включать в рассмотрение мезосферу, и в модель включён плазменный слой магнитосферы, то есть модель дополнена уравнениями для горячих магнитосферных ионов, определяющих степень экранирования внутренней магнитосферы от внешнего электрического поля. Тем самым степень самосогласованности модели была существенно повышена.

Ниже мы представим в качестве иллюстрации результаты моделирования ионосферно-термосферных эффектов геомагнитной бури (на примере бури 25 января 1974 года), интересные тем, что они позволили разрешить принципиальный вопрос о главной причине так называемых положительных ионосферных бурь.

далее>>