Математическое моделирование как инструмент исследования верхней атмосферы Земли

Просмотров: 3298

170211 f01

Начиная с 2014 года Геофизический центр Российской академии наук (ГЦ РАН) принимает участие в программе фундаментальных исследований президиума РАН по стратегическим направлениям развития науки "Фундаментальные проблемы математического моделирования".

Программа стартовала в 2014 году, координатор программы — академик РАН, научный руководитель ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН, доктор физико-математических наук, профессор В. Б. Бетелин.

... Программа решает ряд важнейших для фундаментальной науки задач и направлена на развитие прикладных областей науки...

Целью Программы "Фундаментальные проблемы математического моделирования" является проведение фундаментальных исследований, ориентированных на создание основы для прорывных технологий. Программа решает ряд важнейших для фундаментальной науки задач и направлена на развитие прикладных областей науки, в частности, нефтяной промышленности, биомедицины, компьютерных и аддитивных технологий, мониторинга изменений климата и прогнозирования чрезвычайных ситуаций и т. д.

Программа включает следующие направления:

1. Фундаментальные проблемы предсказательного моделирования многомасштабных процессов термомеханохимических воздействий на нефтяные залежи и оптимизации архитектуры гетерогенных супер-ЭВМ для данного класса задач.

2. Фундаментальные проблемы математического моделирования процессов течения многофазных сред и смесеобразования, химических реакций, многосвязного управления плазмой со сложной геометрической структурой, динамических задач в механике деформируемого твердого тела с учетом широкодиапазонных определяющих соотношений и моделей, и реализации этих моделей на гетерогенных супер-ЭВМ.

3. Разработка математических моделей и вычислительных средств для моделирования информационных, физико-химических процессов в интересах биомедицины, в том числе процессов взаимодействия низкотемпературной плазмы с биологическими субстанциями.

4. Проведение фундаментальных исследований в области суперкомпьютерных технологий для задач математического моделирования на вычислительных системах сверхвысокой производительности с экстрамассивным параллелизмом, в том числе задач предсказания погоды, изменения климата и экологии. Моделирование и прогнозирование чрезвычайных ситуаций и экологии на основе данных аэрокосмического мониторинга.

5. Разработка 3-х мерных физических и математических моделей, алгоритмов и программ для численных экспериментов на супер-ЭВМ эксафлопсного класса в задачах рассеяния и взаимодействия излучения с различными средами, моделировании процессов в экстремальных электромагнитных полях, силового воздействия лазерного излучения на материалы, физических процессов, лежащих в основе аддитивных технологий.

6. Математическое моделирование в социально-экономических науках, в системах управления, метрологии и стандартизации.

В ГЦ РАН реализуется проект "Создание семейства численных физико-математических моделей для изучения и прогнозирования электродинамики верхней атмосферы Земли с использованием данных геомагнитного спутника SWARM и высокопроизводительных компьютерных систем" в рамках направления Программы "Проведение фундаментальных исследований в области суперкомпьютерных технологий для задач математического моделирования на вычислительных системах сверхвысокой производительности с экстрамассивным параллелизмом, в том числе задач предсказания погоды, изменения климата и экологии. Моделирование и прогнозирование чрезвычайных ситуаций и экологии на основе данных аэрокосмического мониторинга" (п. 4 из списка). Его руководителем является академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор ГЦ РАН А. Д. Гвишиани, а ответственным исполнителем — главный научный сотрудник ГЦ РАН, доктор физико-математических наук Р. Ю. Лукьянова.

... руководителем является академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор ГЦ РАН А. Д. Гвишиани, а ответственным исполнителем — главный научный сотрудник ГЦ РАН, доктор физико-математических наук Р. Ю. Лукьянова...

170211 f02
Спутники SWARM в магнитном поле Земли

При взаимодействии солнечного ветра и межпланетного магнитного поля с магнитосферой Земли в нее поступает около 1012 Вт энергии, за счет которой возникают электрические поля и токи, а также происходят различные процессы в магнитосферной и ионосферной плазме. Электрические токи генерируются в пограничных слоях магнитосферы и, протекая вдоль высокопроводящих силовых линий геомагнитного поля, замыкаются на ионосферу Земли (эти токи называются продольными токами — ПТ). По геомагнитному полю земного диполя пограничные слои магнитосферы картируются на высокоширотную ионосферу, и соответственно здесь сосредоточены основные ПТ. В полярных областях направление вектора геомагнитного поля близко к вертикали. ПТ втекают в и вытекают из полярных ионосфер северного и южного полушарий почти радиально.

... В состав семейства численных физико-математических моделей для изучения и прогнозирования электродинамики верхней атмосферы Земли входят три основных модели...

В состав семейства численных физико-математических моделей для изучения и прогнозирования электродинамики верхней атмосферы Земли входят три основных модели: модель распределения электрического потенциала в ионосфере Земли с учетом электродинамической сопряженности полушарий, модель F области высокоширотной ионосферы с учетом влияния параметров межпланетной среды и модель продольных токов, текущих вдоль силовых линий геомагнитного поля и связывающих магнитосферу и ионосферу Земли. Моделирование ионосферы необходимо для решения прикладных диагностических и прогностических задач ионосферного мониторинга и службы космической погоды. В высоких широтах в связи с ограниченным количеством пунктов регулярных наблюдения и большой изменчивостью ионосферных параметров эмпирические модели не могут дать детального описания трехмерной структуры ионосферы и её структурных особенностей для реальных гелио-геофизических условий. В этой связи актуальной задачей является разработка и использование физико-математических моделей, которые позволили бы получить необходимую информацию о состоянии полярной ионосферы.

В рамках этапа 2014 года были разработаны алгоритмы и программные модули для реализации физико-математической модели распределения электрического потенциала в ионосфере в глобальной постановке, т. е. при учете электродинамической связи между ионосферными оболочками северного и южного полушарий. Важно отметить, что впервые была реализована возможность моделирования проникновения электрического поля от высокоширотного источника в средние широты.

... Второй этап проекта начался в 2015 года и стал продолжением исследований предыдущего года...

Второй этап проекта начался в 2015 года и стал продолжением исследований предыдущего года. На этом этапе была предложена концепция создания иерархического семейства численных моделей для описания высокоширотной ионосферы с ассимиляцией спутниковых данных по измерению магнитного поля над ионосферой и использованием высокопроизводительных компьютерных систем. Если ранее была разработана численная модель глобального распределения электрического потенциала в ионосфере, то основным результатом настоящего этапа стала реализованная в виде программного средства численная модель распределения электронной концентрации в F области высокоширотной ионосферы с учетом влияния параметров межпланетной среды.

Помимо разработки численной модели F на данном этапе была построена блок-схема для многофакторной сортировки данных спутниковых измерений. В продолжение работ предыдущего этапа численная модель глобального распределения электрического потенциала с учетом электродинамической связи полушарий была реализована в виде программного средства.

Работа третьего этапа направлена на дальнейшее развитие концепции физически связанных между собой численных моделей для описания высокоширотной ионосферы с ассимиляцией спутниковых данных по измерению магнитного поля над ионосферой и использованием высокопроизводительных компьютерных систем.

... В 2016 году были проведены работы по апробации, валидации и параметризации численных моделей для расчета глобального распределения электродинамических параметров высокоширотной ионосферы Земли с учетом взаимосвязи противоположных полушарий...

В 2016 году были проведены работы по апробации, валидации и параметризации численных моделей для расчета глобального распределения электродинамических параметров высокоширотной ионосферы Земли с учетом взаимосвязи противоположных полушарий. Модели позволяют рассчитать ионосферный электрический потенциал и трехмерное распределение электронной концентрации F области в полярной ионосфере. Кроме того, были усовершенствованы алгоритмы и программные средства для численной модели F области полярной ионосферы с заданием входных управляющих параметров солнечного ветра непосредственно по экспериментальным данным спутниковых измерений.

170211 f03
Изолинии электронной концентрации в максимуме ионосферного слоя F2 в зимних и летних условиях и значениях компонент межпланетного магнитного поля: Bz = 0, By = —5 nT (левая колонка) и By = +5 nT (правая колонка)

... Результаты моделирования позволили дать количественные оценки и построить зависимость параметров ионосферы от внешних направляющих факторов...

Модельные расчеты показали прямую зависимость структуры полярной ионосферы от электрических полей магнитосферного происхождения, которые контролируются межпланетным магнитным полем и зенитным углом Солнца (см. рис.). Результаты моделирования позволили дать количественные оценки и построить зависимость параметров ионосферы от внешних направляющих факторов.

Также, на третьем этапе были разработаны подходы к созданию статистической модели продольных токов с использованием данных измерений современной группировки геомагнитных спутников Swarm и начато формирование базы данных продольных токов магнитосферного происхождения, текущих вдоль силовых линий геомагнитного поля, и рассчитанных по измерениям вариаций магнитного поля над ионосферой вдоль траекторий пролетов спутников Swarm в высокоширотных областях северного и южного полушарий.

По результатам работы по проекту было опубликовано несколько статей (см. сопутствующие ссылки), получено 2 свидетельства о государственной регистрации результатов интеллектуальной деятельности (РИД) на компьютерную программу и были сделаны доклады на международных и всероссийских конференциях (The 40th COSPAR Scientific Assembly, IUGG Assembly и Физика плазмы в солнечной системе).


Р. Лукьянова, А. Павленко

Метки: ГЦ РАН

Печать

Joomla SEF URLs by Artio