Научная работа: темы и направления для студентов 3 курса МФТИ (2020 год)
Математическое моделирование верхней атмосферы и ионосферы Земли
Научные руководители: к.ф.-м.н. Кулямин Д.В. (комн. 608, вторник-четверг), д.ф.-м.н. Грицун А.С., e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Тема исследований
В рамках работы коллектива Института вычислительной математики им. Г.И. Марчука по разработке и развитию глобальных моделей Земной системы важной составляющей является задача по моделированию верхних слоев атмосферы (от поверхности и вплоть до высот 500 км), включая земную ионосферу. Верхняя атмосфера представляет существенный интерес как с точки зрения ее до конца неисследованной роли в формировании глобального состояния Земной системы и ее связи с космическими явлениями, так и особой роли ионосферы, которая представляет собой особую область Земной атмосферы, содержащую свободные электроны и оказывающую существенное влияние на распространение радиоволн разных масштабов, активно используемых современными спутниками или наземными системами связи. Информация о состоянии верхней атмосферы и ионосферы, в том числе о ее реакции на внешние возмущения космической природы, 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 верхней атмосферы и ионосферы наиболее важны для развития технологий высокоточной навигации, повышения надежности и достоверности работы систем связи и других прикладных задач.
Основные проблемы моделирования верхней атмосферы связаны как с построением и реализацией эффективных и устойчивых численных алгоритмов для решения основных уравнений моделей различного типа, так и с исследованием с помощью разрабатываемых моделей и анализа данных наблюдений ключевых физических процессов, ответственных за формирование глобального состояния и изменчивости среды, в том числе с анализом связей верхних и нижних слоев. Отдельной проблемой является использование данных наблюдений о верхней атмосфере и ионосфере для усовершенствования и анализа результатов модели, а также решения задачи прогноза, что включает построение специальных параметризаций, систем усвоения данных, а также использование нейронных сетей.
Предлагаемые задачи
- Разработка гидродинамического вычислительного ядра для полной глобальной модели общей циркуляции атмосферы (для высот 0-500 км). Задача предполагает создание и реализацию эффективного и устойчивого алгоритма решения уравнений гидротермодинамики атмосферы для слоя с высокой верхней границей в качестве основы перспективной модели Земной системы на основе существующих разработок и моделей атмосферы ИВМ РАН.
- Разработка параметризаций физических процессов для моделей верхней атмосферы: волновых процессов и их воздействия на общую циркуляцию, электромагнитных процессов и их роли в динамики ионосферы, и др. Предполагается использование как детерминированных физических приближений, так и динамико-стохастических подходов.
- Разработка системы усвоения данных для модели ионосферы и верхней атмосферы на основе четырехмерной вариационной ассимиляции, а также ансамблевых фильтров Кальмана.
- Разработка и реализация нейронной сети для усвоения данных наблюдений и решения задачи прогноза состояния Земной ионосферы.
- Построение оператора отклика ионосферы на малые внешние воздействия на основе данных наблюдений и моделирования с использованием динамико-стохастических подходов.
Рис. 1. Широтно-долготное распределение поля полного электронного содержания (TEC), для полночи для условий равноденствия по данным моделирования ионосферы с помощью модели термосферы-ионосферы ИВМ РАН, демонстрирующие воспроизведение экваториальной аномалии.
Рис. 2. Широтно-высотные распределения поля электронной концентрации 10 5 (см -3 ) зональноосредненных значений отклонений для полуночи (в середине) и полудня (внизу) по UT для условий равноденствия по данным моделирования ионосферы с помощью разработанной модели, демонстрирующие воспроизведение экваториальной аномалии.