Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Распространение акустических волн в верхней атмосфере

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Дробжева, Яна Викторовна, Алматы

Президиум ВАК Минобрнауки России (решение от »С » Лр 200 Ят. № ^О 3 решил выдать диплом ДОКТОРА

_наук

Начальник отдела

оз.ю од*-

71 11-1/1

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Институт ионосферы

УДК 596.551:510.535 На правах рукописи

Дробжева Яна Викторовна

РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ВЕРХНЕЙ

АТМОСФЕРЕ

Специальность 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант д. ф.- м. н. В.М. Краснов

Алматы 2003

Содержание

Введение................................................................................. 6

1 Теория распространения акустических волн в неоднородной атмосфере........................................................................... 22

1.1 Вывод нового уравнения и его решение, описывающие эволюцию формы и время распространения акустического импульса

в неоднородной атмосфере................................................... 23

1.2 Модель воздействия акустических волн на атмосферу и ионосферу

от точечного взрыва......................................................... 30

1.3 Проверка работоспособности модели на основе экспериментального материала, полученного во время калибровочного взрыва.............. 38

1.4 Методика определения мощности наземного химического

взрыва................................................................................ 43

1.5 Определение мощности взрыва на химическом комбинате в РНхЬогои§Ь.......................................................................... 45

2 Пространственно-временные характеристики акустических и ионосферных возмущений от точечного взрыва............................. 53

2.1 Пространственно-временные характеристики акустических

полей................................................................................ 53

2.2 Пространственно-временные характеристики возмущений электронной концентрации..................................................... 66

2.3 Пространственно-временные характеристики возмущений доплеровского сдвига частоты................................................. 75

3 Модель распространения акустических волн в атмосфере и их воздействие на ионосферу от протяженного источника.................. 79

3.1 Экспериментальная проверка формул, описывающих движение земной поверхности во время подземных ядерных взрывов и модель движения земной поверхности................................................... 80

3.2 Модель генерации и распространения акустических волн от подземного ядерного взрыва в атмосфере и их воздействие на

ионосферу......................................................................... 91

?

4 Проверка работоспособности модели на основе экспериментального

материала, полученного во время подземных ядерных взрывов........ 98

4.1 Определение мощности подземного ядерного взрыва, Советско-

Американский эксперимент................................................... 113

5 Модель распространения ударных и акустических волн от цилиндрического источника и их воздействие на ионосферу........... 115

5.1 Модель воздействия акустических волн в атмосфере от цилиндрического источника на атмосферу и ионосферу................. 117

5.2 Ударная волна, генерируемая полетом ракетоносителя, и

вызванное ею ионосферное возмущение.................................... 124

Заключение............................................................................. 129

Список использованных источников............................................. 134

Нормативные ссылки

ГОСТ 7.1-84 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила оформления.

ГОСТ 7.9-95 (ИС0214-76) Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Реферат и аннотация. Общие требования и правила.

ГОСТ 7.32-2001 Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

ГОСТ 8.417-81 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин.

/

Определения обозначения и сокращения

В диссертации применяют только стандартные термины. ^ - время прихода сейсмической волны от места взрыва до поверхности земли;

Н - глубина заложения заряда; г - эпицентральное расстояние; а - скорость сейсмической волны; у2- вертикальная скорость движения земной поверхности; С> - тинитротолуоловый эквивалент (ТНТ) в тоннах; Ш -время нарастания импульса; ts - время схлапывания импульса; и - длительность фазы сжатия; I. - длительность фазы разрежения;

Уотк- минимальное значение вертикальной компоненты массовой скорости, при котором наблюдаются откольные явления; ^(Х) - входной сигнал;

Гр(1:) - копия сигнала- ионосферный «портрет» взрыва; Т - конечный временной интервал; Кп- некоторый коэффициент;

f- частота радиозондирования ионосферы;

Ъ - высота точки отражения радиоволны;

ИТ- время мировое;

ЬТ - время местное;

Ар - индекс геомагнитной активности;

Р 10.7 - поток радиоизлучения Солнца;

ТНТ - тринитротолуол;

ПЯВ - подземный ядерный взрыв;

РН - ракетоноситель.

Введение

Актуальность. Околоземное космическое пространство является составной частью среды обитания человека и процессы, происходящие в нем, могут оказывать влияние на жизнедеятельность человека. В частности, магнитные бури оказывают воздействие на функционирование космических и наземных технологических систем, ионосфера контролирует распространение радиоволн. В свою очередь динамические процессы естественного и искусственного происхождения, развивающиеся на Земле и в нижней атмосфере, могут контролировать структуру и динамику явлений околоземного космического пространства. Многочисленные эксперименты показали, что ионосфера является чувствительным индикатором воздействия энергии от таких источников как землетрясения, вулканы, погодные фронты, наземные химические, высотные и подземные ядерные взрывы (ПЯВ), а также полеты ракетоносителей (РН) со сверхзвуковой скоростью. При этом спектр возмущений, вызываемый этими источниками весьма широкий: от акустических до гравитационных.

На сегодняшний день наименее изученным оказался вопрос переноса акустической энергии от этих источников в околоземное пространство, что, на наш взгляд, связано с недостаточным развитием теории распространения акустических волн в реальной атмосфере и ионосфере.

Исследования отклика ионосферы на атмосферные и подземные ядерные взрывы [1-13], а также наземные химические взрывы [11,14-43] проводились в основном ионограммным и доплеровским методами. Исследования критической частоты и профиля электронной концентрации F-слоя ионосферы с помощью ионограммного метода позволили обнаружить возмущения, генерируемые взрывом, с периодами больше 10 мин (из-за малой чувствительности этого метода). Более чувствительный доплеровский метод позволил зарегистрировать периоды возмущения от 30 с до 10 мин с наиболее выраженными колебаниями в диапазоне от 30 до 100 с на высотах 150-200 км, и эти возмущения распространялись со скоростями от 260 до 320 м/с. В целом, скорости распространения от источника и дисперсия скоростей, наблюдаемая на ионосферных высотах, хорошо совпадали с характеристиками инфразвуковых волн, наблюдаемых на Земле с помощью микробарографов. На основании этого было сделано предположение о тесной связи этих двух явлений. Кроме того, установлено, что возмущения распространяются вверх. В частности, одновременные записи

доплеровских частот при f= 4 и 5 Мгц (высоты отражения радиоволн 180 и 190 км) показали соответствующий временной сдвиг, что позволило получить фазовые скорости 600 м/с, при этом скорость звука на этих высотах составляла величину 700-750 м/с. Таким образом, было доказано, что акустические волны, распространяясь вверх через атмосферу с экспоненциально уменьшающейся плотностью, достигают высот ионосферы, вызывая в ней возмущения электронной концентрации.

Следует особо подчеркнуть, что в указанных работах проводилась в основном качественная интерпретация результатов. Исключением являются работы [15,44,45], в которых проведено сопоставление модельных расчетов с экспериментом для специального исследовательского наземного химического взрыва Mill Race. Уникальность данного взрыва состояла в том, что при его проведении велись одновременно измерения акустических возмущений с помощью датчиков давления, установленных на парашютах, в четырех точках в диапазоне высот от 8.2 до 9 км и возмущений доплеровского сдвига частоты в трех точках - от 151 до 263 км. В работе [15] изложены модельные расчеты акустических возмущений только для высот около 9 км и получено их достаточно хорошее согласие с экспериментом - ошибки расчетов составили единицы процентов. Для того же эксперимента авторы работ [44,45] провели моделирование только возмущений доплеровского сдвига частоты, при этом ошибки между моделью и экспериментом составили по длительности возмущения в среднем 40%, а по амплитуде - 20%. На наш взгляд ошибки расчетов обусловлены тем, что разработанная авторами модель ограничена приближением геометрической акустики и в качестве профиля атмосферы использовался профиль стандартной атмосферы, который значительно отличался от реального. Вместе с тем, авторами указанных работ не была представлена модель, которая могла бы быть протестирована одновременно в диапазоне высот от Земли до ионосферы.

В литературе имеется гораздо меньшее количество работ, посвященных описанию генерации и распространения акустических волн от подземного ядерного взрыва. В частности, до настоящего времени отсутствовали адекватные эксперименту модели, описывающие распространение акустических волн от подземного ядерного взрыва в реальной атмосфере от Земли до высот ионосферы и их воздействия на ионосферу.

В настоящее время также доказан факт существования возмущений ионосферы, вызванных полетом ракетоносителя (РН) со сверхзвуковой скоростью, на большом количестве экспериментальных данных, полученных, в частности, методом доплеровского радиозондирования ионосферы при вертикальном и наклонном распространении радиоволн KB - диапазона [4649]. Существующие модели распространения акустических волн от РН [49] также ограничены приближением линейной акустики, что вносит существенные погрешности при моделировании ионосферного возмущения.

Актуальность дальнейшего развития теории и создания адекватных эксперименту моделей связана в фундаментальном плане- с необходимостью исследования влияния акустической энергии на структуру и динамику атмосферы и ионосферы и в прикладном плане - с выделением искусственных возмущений на фоне регулярных возмущений естественного происхождения для идентификации источника и определения его мощности.

Особенно важно решение этой проблемы в связи с заключением Договора о всеобъемлющем запрещении испытаний ядерного оружия

(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty,1996r), так как одним из методов международного контроля взрывов инфразвуковой, который должен осуществляться с помощью глобальной международной сети наземных инфразвуковых станций. Для отработки методик обнаружения, идентификации и оценки мощности подземных ядерных взрывов этим методом также требуются адекватные эксперименту модели.

Несмотря на то, что достигнуты определенные успехи в решении задачи распространения инфразвука в атмосфере и определения местоположения различных источников с помощью наземных инфразвуковых данных [50-55], проблема идентификации источника остается нерешенной, например, инфразвуковые записи от взрывов болидов и высотных взрывов подобны [56].

Определение мощности взрыва ракетоносителя на различных высотах атмосферы на основе наземных инфразвуковых измерений позволит, в частности, определить количество выброшенного токсичного топлива в атмосферу, и тем самым оценить экологические последствия неудачных пусков РН.

Актуальной прикладной задачей на сегодняшний день является также решение проблемы влияния короткопериодных ионосферных возмущений, вызванных акустическими волнами, на функционирование активно развивающихся цифровых радиосистем KB и УКВ - диапазонов.

Таким образом, необходимость создания адекватных эксперименту моделей, описывающих распространение акустических волн в атмосфере от различных источников и их воздействия на ионосферу не вызывает сомнений. Вместе с тем, решение этой задачи невозможно без развития теории распространения акустических волн в реальной атмосфере.

Несмотря на большое количество работ, посвященных теории распространения акустических волн в атмосфере, до сих пор эта проблема оставалась не решенной из-за ее сложности, обусловленной следующими причинами:

акустическая волна, генерируемая, например, взрывами, имеет несинусоидальный характер: начальный акустический импульс имеет сложный вид и ограничен как в пространстве, так и во времени;

- при распространении акустического импульса до высот ионосферы он проходит расстояния, на которых свойства атмосферы сильно меняются, т.е. возникает необходимость учета неоднородности среды распространения. При этом для адекватного описания должны учитываться реальные параметры атмосферы;

- для адекватного описания процесса распространения акустических волн уравнение, описывающее этот процесс должно также учитывать нелинейные эффекта, поглощение и геометрическую расходимость волнового фронта. Учет только нелинейных эффектов само по себе является сложной задачей.

В ряде случаев при интерпретации результатов наблюдений ионосферных возмущений, обусловленных акустической энергией взрывов,

многие авторы [14,57-62] основываются на представлении, что первичным носителем акустической энергии является ударная волна, которая на некотором расстоянии от центра взрыва вырождается в акустическую волну и далее распространяется по законам звуковых волн, т.е. без учета нелинейных эффектов. Такой подход является вполне оправданным при расчете поражающего действия ударных волн или при расчете акустических полей на очень больших расстояниях от места взрыва. В последнем случае проводится линеаризация уравнений гидродинамики, что обосновывается малостью амплитуды рассматриваемых возмущений по сравнению с фоновыми характеристиками атмосферы. Однако не во всех случаях одного условия малости амплитуды волны оказывается достаточным, чтобы ограничиться областью применимости линейной теории [63,64]. В действительности, скорость распространения акустических возмущений, как это следует из точных решений уравнений гидродинамики [65], отличается от скорости звука на величину порядка амплитуды волны, что приводит к нелинейному искажению волны: точки профиля волны с большей амплитудой перемещаются с большей скоростью относительно точек профиля, в которых отклонение от невозмущенного состояния меньше.

Таким образом, линейная теория будет приводить к решениям близким к решениям точных уравнений в той области, в которой указанные искажения невелики. Существует также дополнительное ограничение применимости линейной теории, которое заключается в том, что время, в течение которого рассматривается движение звуковой волны, должно быть достаточно малым для «накопления» нелинейных эффектов.

В реальных условиях всегда присутствуют процессы, замедляющие развитие нелинейных эффектов, причем при определенных условиях влияние этих процессов может быть настолько сильным, что нелинейными эффектами можно пренебречь. В частности, в атмосфере замедляющими развитие нелинейных эффектов являются вязкость и теплопроводность. Убывание плотности энергии в волне может происходить также из-за геометрических условий распространения волны (в случае, например, цилиндрических или сферических расходящихся волн). К уменьшению влияния нелинейных эффектов приводит также дисперсия скорости звука. В простейшем случае бегущей волны, когда искажение формы профиля волны может быть интерпретировано как появление гармоник, дисперсия скорости приводит к тому, что фазовые соотношения для гармоник непрерывно меняются в процессе распространения волны, и, следовательно, меняются условия передачи энергии в более высокие гармоники. В условиях сильной дисперсии развитие нелинейных эффектов может свестись к минимуму. При распространении акустических волн в атмосфере дисперсионные явления пренебрежимо малы [65], и их можно не учитывать при расчетах. Таким образом, в каждом конкретном случае необходимо определять условия применимости теории линейной или нелинейной акустики.

Развитие теории нелинейной акустики с учетом вязкости и теплопроводности связывают, в основном, с работами школы академика Р.В. Хохлова, Руденко О.В. и Солуяна С.И. [66-69]. Суть асимптотического метода Хохлова заключается в предположении медленности изменения формы профиля волны в сопровождающей ее движение системе координат на расстояниях порядка длины волны. Этот метод был применен к решению проблем нелинейной акустики: уравнение Бюргерса удалось получить из системы гидродинамических уравнений, учитывающих вязкость и