Влияние солнечных вспышек на частоты шумановского резонанса
Особенности построения программного модуля для расчета параметров резонанса в сферической полости Земля-ионосфера методом конечных элементов в трехмерной постановке. Расчет параметров шумановского резонанса с использованием двух различных моделей D-слоя.
| Рубрика | Астрономия и космонавтика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.11.2018 |
| Размер файла | 495,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Влияние солнечных вспышек на частоты шумановского резонанса
Е.С. Гончаров, А.Н. Ляхов, Т.В. Лосева
Аннотации
В данной статье описывается построение программного модуля для расчета параметров резонанса в сферической полости Земля-ионосфера методом конечных элементов в трехмерной постановке. В случае невозмущенной ионосферы Шумановский резонанс рассчитывался с использованием двух различных моделей D-слоя. Результат показывает хорошее согласие с экспериментом. Также, с помощью одной из моделей получены параметры резонанса при солнечных вспышках различных классов. На основе этих данных выявлена зависимость собственных частот от интенсивности солнечной вспышки.
This paper presents a procedure to carry out three-dimensional (3D) finite element model full wave simulations of the electromagnetic field in spherical shell between the Earth's surface and top boundary of D-layer of the ionosphere. Numerical simulations have been performed in the frequency domain. For non-perturbed ionosphere, calculations have been carried out using two models of D-layer of the ionosphere. The obtained results are in agreement with experimental data. Also using one these models, parameters of Schumann resonance during solar flares of different classes have been received. Based on calculations, dependence between eigenfrequencies and level of solar flares has been revealed.
Введение
В области сверхнизких частот (5-40 Гц) распространение электромагнитных волн происходит специфическим образом. Благодаря тому, что длина волны соизмерима с радиусом Земли, в СНЧ диапазоне могут наблюдаться глобальные резонансы, когда частота колебаний совпадает с собственной частотой резонатора, образованного сферической полостью между Землей и ионосферой. Так называемые, Шумановские колебания образуют систему стоячих волн, охватывающих весь земной шар, поэтому характеристики СНЧ колебаний, наблюдаемые в любом пункте, зависят от состояния ионосферы над всеми другими частями земного шара. Следовательно, изучение резонансных колебаний позволило бы определять глобальные параметры ионосферы, характеризующие ее состояние в целом.
солнечная вспышка шумановский резонанс
Постановка задачи
Исследуемый резонатор представляет собой полость между двумя концентрическими сферами радиусами 6370 км (Земля) и 6470 км (верхняя граница D-слоя ионосферы). Таким образом, толщина резонатора составляет 100 км. Поиск собственных частот резонатора реализуется в пакете COMSOL Multiphysics® за счет решения методом конечных элементов волнового уравнения (1), полученного из системы уравнений Максвелла. В результате расчета получаются комплексные значения частот (2).
При построении моделей для изучения Шумановского резонанса критерием корректности обычно является совпадение набора рассчитанных собственных частот , а также их добротностей (3) с экспериментальными значениями.
(1)
(2)
(3)
В табл.1 представлены значения частот, рассчитанных для идеального, полого проводника. Полученные частоты, а также кратность их вырождения (2n+1, где n - номер частоты) совпадают с теоретическими значениями для идеального сферического проводника (Schumann, 1952):
(4)
Значения реальных частот резонатора Земля-ионосфера отличаются от их теоретических значений. Это связано с тем фактом, что поверхность Земли и граница ионосферы не являются идеальными проводниками. Кроме того, ионосфера представляет собой многокомпонентную магнитоактивную плазму, неоднородную как в вертикальном, так и в поперечном направлении.
Электронная проводимость D-слоя ионосферы рассчитывалась в приближении низких частот:
(5)
где - высота над поверхностью Земли, - заряд электрона, - эффективная частота соударений, - электронная концентрация. Распределение электронной концентрации и эффективных частот соударений в D-слое ионосферы для сравнения получены по двум моделям:
1) Общепринятое двупараметрическое экспоненциальное приближение (Wait and Spies, 1964):
(7)
Параметры и рассчитываются по эмпирической модели (Ferguson, 1980):
(8)
(9)
где - солнечный зенитный угол, - географическая широта, - учет сезонных вариаций (m - номер месяца), - количество солнечных пятен, - магнитная активность.
2) плазмохимическая 22-компонентная модель нижних слоев ионосферы, разработанная в ИДГ РАН
На рис.1 приводится сравнение дневных и ночных профилей электронной концентрации. Наблюдается абсолютное количественное и качественное расхождение профилей ночной стороны Земли. Профили дневной стороны совпадают только на высотах 70-100 км.
Рис.1. Сравнение профилей электронных концентраций по двум моделям: для дневной стороны Земли (слева), для ночной стороны Земли (справа).
Результаты
Расчеты проводились в пакете COMSOL Multiphysics® при помощи решателя MUMPS, на 28 ядерном компьютере с объемом ОЗУ 256 Гб. Получены параметры Шумановского резонанса по двум моделям при отсутствии ионосферных возмущений. Как видно из табл.1, плазмохимическая модель D-слоя дает собственные частоты и добротности, близкие к эксперименту, в то время как двупараметрическая модель позволяет получить лишь приблизительную оценку.
Таблица 1
|
Номер собственной частоты |
I |
II |
III |
IV |
V |
|
|
Частоты полого резонатора с идеально проводящими стенками, Гц |
10,5 |
18,2 |
25,7 |
33,2 |
40,6 |
|
|
Частоты, полученные по двупараметрической модели, Гц |
8,6 |
15,1 |
21,6 |
28,0 |
34,5 |
|
|
Частоты, полученные по плазмохимической модели, Гц |
7,7 |
13,7 |
19,6 |
25,6 |
31,5 |
|
|
Экспериментальные значения частот (Блиох и др., 1977), Гц |
7,8 |
13,8 |
19,7 |
25,7 |
31,7 |
|
|
Добротности, полученные по двупараметрической модели |
9,1 |
9,6 |
10,2 |
10,0 |
10,2 |
|
|
Добротности, полученные по плазмохимической модели |
6,3 |
6,5 |
6,6 |
6,5 |
6,5 |
|
|
Экспериментальные значения добротностей (Блиох и др., 1977) |
4,6 |
6,0 |
6,6 |
6,8 |
6,9 |
С помощью плазмохимической модели получены параметры D-слоя ионосферы при солнечных вспышках. Расчет параметров резонатора показал монотонный рост собственных частот резонатора с увеличением интенсивности солнечной вспышки. Однако даже при очень мощных солнечных вспышках рост собственных частот составляет не более 5%, аналогичная тенденция наблюдается и для добротностей. На рис.3 представлена зависимость компонент первой частоты от интенсивности солнечного излучения. В табл.2 приведено соответствие между интенсивностью солнечного рентгена и классом вспышки.
Рис.2. Зависимость мод первой собственной частоты (7,7 Гц) от интенсивности солнечной вспышки.
Таблица 2
|
Класс вспышки |
B9 |
C5 |
M1 |
M5 |
X1 |
X5 |
|
|
Интенсивность, |
По итогам данной работы, для изучения резонанса Шумана создан программный модуль в системе COMSOL Multiphysics® для расчета собственных частот резонатора, образованного сферической полостью Земля-ионосфера, в трехмерной постановке. Проведены расчеты параметров резонансных частот для невозмущенной ионосферы, согласующиеся с экспериментом, а также расчеты при вспышках различных классов. На основе полученных данных выявлена зависимость собственных частот от интенсивности солнечных вспышек.
Литература
1. Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю. Ф.: Глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера, Наукова думка, Киев, 1977.
2. Ferguson J.A.: Ionospheric profiles for predicting nighttime VLF/LF propagation, Naval Ocean System Centre Tech. Rep. NOSC/TR 530, NTIS Accession. ADA085399. Natl. Tech. Inf. Serv. Springfield, VA 22161, USA, 1980.
3. Schumann, W.O.: Ьber die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphдrenhьlle umgeben ist, Z. Naturforsch., 7a, 149-154, 1952.
4. Wait, J.R. and Spies, K.P.: NBS Technical Note300: Characteristics of the Earth-ionosphere waveguide for VLF radio waves, edited by: U. S. D. o. National Bureau of Standards (now National Institute of Standards and Technology, NBS, 1964.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Воздействие солнечной активности на процессы, происходящие на нашей планете. Влияние космической радиации на жизнь на Земле. Ионосфера как самая плотная плазменная оболочка Земли. Влияние ионосферы на состояние радиоэфира. Связь эпидемий с космосом.
реферат [301,1 K], добавлен 19.05.2011Общая характеристика и направления деятельности организации. Общие сведения об энергоснабжении космических аппаратов, особенности использования солнечных батарей. Химические источники тока. Выбор параметров солнечных батарей и буферных накопителей.
отчет по практике [195,1 K], добавлен 16.04.2016Общая характеристика и особенности структуры Солнца, его значение в солнечной системе. Атмосфера Солнца, причины появления и характер пятен на его поверхности. Условия возникновения солнечных затмений. Циклы солнечной активности и их влияние на Землю.
презентация [676,9 K], добавлен 29.06.2010Характеристики звезды в качестве небесного тела. Современные представления о формировании звезд. Основная их классификация, описание различных видов небесных тел такого рода. Способы проведения астрономических измерений различных параметров звезд.
реферат [20,5 K], добавлен 18.02.2015Наблюдения затмившегося Солнца и их научное значение. Проблемы изучения солнечных затмений. Ранний период постановки задач (ХХ век). Задачи, решаемые при наблюдениях солнечных затмений на современном этапе развитии науки. Представление о коронографах.
реферат [896,6 K], добавлен 26.07.2010Солнце - источник жизни на земле. Солнечная атмосфера, состав Солнца. Современная наука о Солнце, источники его энергии. Происхождение Солнечных и Лунных затмений. Солнечно-земные связи. Солнечная активность и магнитные бури. Радиационные пояса Земли.
курсовая работа [474,5 K], добавлен 04.06.2009Эволюция Земли в тесном взаимодействии с Солнцем и Луной. Роль и значение луны для жизни на планете Земля. Спектральный анализ как один из основных методов современной астрофизики. Методы поиска различных форм жизни с помощью космических аппаратов.
презентация [2,2 M], добавлен 08.07.2014Доказательства осевого вращения Земли, его значение для географической оболочки. Особенности солнечных и звездных суток. Направление движения и скорость орбитального вращения. Изменение освещения и нагревания северного и южного полушарий по сезонам года.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 10.02.2014Анализ уравнений состояния для Ае- и Аеп-фаз вещества. Изучение моделей звездных конфигураций (белых карликов и барионовых звезд), состоящих из вырожденных газовых масс. Расчет параметров этих звездных конфигураций с помощью уравнения состояния вещества.
реферат [111,1 K], добавлен 17.05.2010Солнце как источник жизни на Земле, история его развития, состав и состояние атмосферы. Природа солнечных и лунных затмений, их влияние на магнитное поле Земли. Характеристика магнитных бурь и геомагнитной пульсации. Влияние природных ритмов на человека.
курсовая работа [65,1 K], добавлен 04.06.2009Закон всемирного тяготения и гравитационные силы. Можно ли силу, с которой Земля притягивает Луну, назвать весом Луны. Есть ли центробежная сила в системе Земля-Луна, на что она действует. Вокруг чего обращается Луна. Могут Земля и Луна столкнуться.
реферат [39,7 K], добавлен 21.03.2008Практическое использование точек либрации. Исследование одноимпульсного перехода с низкой околоземной орбиты высотой 500 км на квазипериодические орбиты вокруг точки либрации L2 системы Солнце-Земля. Математическая модель и инструментарий расчета.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 08.02.2017Место планеты Земля в космическом пространстве, ее связь с другими космическими телами. Форма, размеры и масса планеты, особенности гравитационного и магнитного поля Земли. Оболочки Земли: атмосфера, стратосфера, термосфера, гидросфера, литосфера.
реферат [22,6 K], добавлен 20.05.2010Алгоритм решения задач по астрономии. Расчет географической долготы по гринвичскому времени, параметров движения звезд, планет и астероидов и расстояний между ними. Расчет среднего увеличения школьного телескопа, значений температуры поверхности Солнца.
учебное пособие [191,1 K], добавлен 04.10.2011Общие сведения о Солнце - единственной звезде Солнечной системы. Жизненный цикл и внутренне строение: ядро, зона лучистого переноса и конвективная зона. Происхождение и виды солнечных магнитных полей. Проблема солнечных нейтрино и нагрева короны.
реферат [196,0 K], добавлен 06.01.2015Земля как планета. Строение Земли. Геодинамические процессы. Структура земной коры. Биосфера. Географическая оболочка. Геологическая история и эволюция жизни на Земле. Геологическая история Земли. История развития органического мира. Человек и Земля.
аттестационная работа [94,1 K], добавлен 19.01.2008Исключительное научное значение наблюдения затмившегося Солнца. Проблемы изучения солнечных затмений делятся на четыре группы. Работы по изучению внешних оболочек Солнца. Определение плотности солнечной короны способом фотометрических наблюдениях.
реферат [33,7 K], добавлен 23.06.2010Расположение и место во Вселенной планеты Солнца, ее происхождение и основные этапы развития. Природа солнечного света и его влияние на другие планеты и звезды Солнечной системы. Природа солнечных пятен. Особенности протекания и причины затмений Солнца.
реферат [18,7 K], добавлен 16.01.2010Дослідження основних параметрів планет земної групи та планет-гігантів. Земля - найчарівніша планета Сонячної системи. Магнітне поле та екологічна система Землі. Причини зниження температури. Фізичні та хімічні характеристики,склад ґрунту та фази Місяця.
презентация [4,2 M], добавлен 28.11.2013Історія виникнення планети Земля та її фотознімки з космосу. Вплив добового обертання планети навколо своєї осі на ритміку живої та неживої природи. Поняття календарного та астрономічного літа. Внутрішня та зовнішня будова супутника Землі - Місяця.
презентация [906,2 K], добавлен 22.12.2013
