Научная работа: темы и направления для студентов 3 курса МФТИ (2018 год)

Математическое моделирование ионосферы Земли

Тематика исследований

В рамках одного из текущих направлений работы Института вычислительной математики по моделированию верхней атмосферы Земли группой сотрудников ИВМ под руководством академика РАН Дымникова В.П. в настоящее время активно разрабатываются модели Земной ионосферы и проводится ряд исследований глобального состояния верхних слоев атмосферы и его изменчивости, а также ключевых физических процессов, ответственных за ее формирование. Ионосфера Земли (области высот 70-500 км) представляет собой особую область Земной атмосферы, содержащую свободные электроны, появившиеся в результате ионизации воздуха высокоэнергетическим солнечным излучением или частицами космического происхождения, и таким образом оказывающую существенное влияние на распространение радиоволн разных масштабов, активно используемых современными спутниками или наземными системами связи. Как можно более точная информация о состоянии системы ионосферы требуется для решения ряда задач космической отрасли, межконтинентальной и спутниковой радиокоммуникации, а также радиолокации, поскольку оно определяет характеристики движения и торможения низкоорбитальных спутников, а также условия для распространения радиосигналов (обеспечивающих бесперебойную работу систем дальней радиосвязи, локации, а также навигационных систем глобального спутникового позиционирования, включая западную систему GPS и российскую ГЛОНАСС). Таким образом, исследование и прогноз глобального состояния термосферы и ионосферы в практическом смысле наиболее важны развития технологий высокоточной навигации, повышения надежности и достоверности работы систем связи и других прикладных задач.

Мощные возмущения космической погоды, такие как геомагнитные бури, солнечные вспышки и другие явления оказывают значительное влияние на верхние слои атмосферы и вносят существенную неопределенность в ключевые для прикладных задач параметры ионосферы. Таким образом одной из наиболее важных для прикладных нужд задач является прогноз состояния Земной ионосферы, что служит основной целью предлагаемых исследований. В основе решения данной задачи группой ИВМ РАН применяются методы численного моделирования с использованием динамико-стохастических подходов и систем усвоения данных.

Предполагаемая задача для НИР

Одной из важных задач по описанной выше тематике является исследование пространственных и временных структур изменчивости глобального поля концентрации электронов, определяющего состояние Земной ионосферы. Базируясь на разрабатываемых и применяемых для различных задач в ИВМ РАН методов фактор-анализа, построения эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) и анализе спектральных свойств динамических операторов модельной задачи студенту в ходе выполнения НИР предлагается исследовать характеристики структур изменчивости вертикальных профилей электронной концентрации по имеющимся рядам данным наблюдений о состоянии ионосферы различного вида и их связь с модельными характеристиками, с конечной целью установить наиболее значимые для формирования изменчивости профиля параметры, что в результате послужит основой при построении эффективной системы усвоения данных и достоверного прогноза.

Сотрудники группы, работающей в данном направлении:

Академик РАН Дымников В.П., д.ф.-.м.н. Грицун А.С., к.ф.-м.н. Кулямин Д.В. и др.

(предполагаемый руководитель - Грицун А.С.)

Контакты (можно обратиться к любому из предложенных людей):

Кулямин Дмитрий Вячеславович (kulyamind@mail.ru, ком. 608, возможные дни для встречи: вторник, четверг),

Дымников Валентин Павлович (ком. 610, возможные дни для встречи: вторник-четверг)

Иллюстрации

Рисунок 1. Свойства распространения различных типов радиоволн в ионосфере Земли

Рисунок 2. Влияние термических приливов в мезосфере (возмущение температуры воздуха) на нижние слои ионосферы по данным совместной модели общей иркуляции атмосферы и ионосферы ИВМ РАН

Рисунок 3. Влияние вариаций температуры нейтрального газа в верхних слоях атмосферы на вертикальный профиль электронной концентрации по данным модели F слоя ионосферы ИВМ РАН