close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовая работа

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
"Московский государственный индустриальный университет"
Филиал ФГБОУ ВПО "МГИУ" в г. Сергиевом Посаде
Кафедра " Прикладная математика и информатика "
Курсовая работа
по дисциплине "Специальные главы математического моделирования"
на тему "Определение температуры электронов в ионосфере при воздействии на нее мощного источника радиоизлучения"
Выполнили:
Студенты Холодков Сергей Викторович,
Сенькина Людмила Николаевна Группа 8711 курс 4 семестр 8
Проверил:
Преподаватель Ступицкий Евгений Леонидович
Оценка работы _________________________________
Дата сдано:"_____" _______________ 2012 г.
Дата проверено:"_____" _______________ 2012 г.
Сергиев Посад
2012
Введение
§ 1. Теоретическая часть
1.1 Понятие ионосферы Земли
Ионосфе́ра (или термосфера) - часть верхней атмосферы Земли, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца.
Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.
В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F.
Слой D
В области D (60-90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax~ 10²-10³ см-3 - это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60-100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь).
Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.
Слой Е
Область Е (90-120 км) характеризуется плотностями плазмы до Nmax~ 105 см-3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идёт очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10³ см-3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).
Спорадически на высотах 100-110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (ne~105 см-3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.
Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн.
Слой Е иногда называют "слой Кеннелли - Хевисайда".
Слой F
Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130-140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150-200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяются вверх и вниз от области максимума. Из-за этого максимальная концентрация электронов и ионов в области Fнаходится на высотах 250-400 км.
В дневное время также наблюдается образование "ступеньки" в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150-200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн.
Выше лежащую часть cлоя F называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума - N ~ 105-106 см-3.
На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400-1000 км), а ещё выше - ионы водорода (протоны) и в небольших количествах - ионы гелия.
Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции географического положения, высоты, дня года, а также солнечной и геомагнитной активности. Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью, электронной и ионной температурами и, в силу наличия нескольких типов ионов, ионным составом. Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.
Обычно модель ионосферы - это компьютерная программа. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации
Равновесная плотность нейтральных частиц Nn , которая определяется в основном балансом гравитационной силы и силы кинетического давления газа, примерно экспоненциально убывает с высотой, но вплоть до высоты около тысячи километров превышает плотность заряженных частиц N. Последняя, однако, изменяется с ростом высоты немонотонно, будучи зависимой прежде всего от баланса между скоростями ионизации газа и гибели заряженных частиц из-за многочисленных процессов рекомбинации электронов и ионов (рис. 1).
Ионизация на низких и средних широтах осуществляется солнечным волновым излучением и зависит от проникновения на соответствующие высоты различных частотных компонент (от ультрафиолетовых до рентгеновских) ионизирующего излучения. На высоких широтах значительный вклад в ионизацию вносят энергичные электроны и протоны, выбрасываемые из активных областей Солнца и приносимые солнечным ветром, и еще более энергичные частицы, ускоренные в солнечных вспышках и преодолевающие путь до Земли всего за несколько часов.
Рис. 1.1 Высотное изменение плотности заряженных частиц в ионосферной плазме.
Здесь же изображена стоячая структура, образованная при интерференции мощной падающей и отраженной волн, и указано, какие процессы можно изучать по распаду этой структуры.
Верхняя ионосфера словно специально создавалась для демонстрации различных типов волн, блуждающих по замагниченной плазме. Волны регистрируются с помощью зондов, установленных на ИСЗ, изучаются с помощью радиорадаров.
Существуют различные способы воздействия на ионосферу - от достаточно радикальных, в которые входят и выбросы химически активных реагентов с борта ракет и спутников, до весьма деликатных, к которым относится возбуждение ионосферы мощными пучками радиоволн от наземных радиопередатчиков.
1.2 НУЖНО ВСТАВИТЬ РАДИОНАГРЕВНЫЕ СТЕНДЫ!!!!
Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состоянии плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.
Постановка задачи
Требуется определить температуру электронов в ионосфере на высоте H = 100км. как функцию координат и времени Te (r,t) при воздействии на ионосферу мощного источника радиоизлучения. § 2. Практическая часть
2.1 Условия задачи
Рассматривается одномерная нестационарная задача теплопроводности в цилиндрических координатах - электронный газ в ионосфере Земли на высоте H = 100км. нагревается извне источником с мощностью S. Энергия источника равномерно распределена в цилиндре радиусом r = 1. Задача обладает цилиндрической симметрией, так что температура электронов зависит только от радиальной координаты r. Уравнение теплопроводности имеет вид:
(∂T_e)/∂t=div(λgradT_e )+S (2.1)
где λ= t_x/(R_x^2 ) 3∙〖10〗^11 T_e/ν - коэффициент температуропроводности электронов.
Частота столкновений электронов с ионами и нейтральными частицами ионосферной плазмы:
ν=6,84∙〖10〗^(-10) n√(T_e (0.4+(0.84T_e)/(3870+T_e )) )+(3.6n_e Λ)/(T_e^(3/2) ) (2.2)
где n = 1,1*1012 1/см3 - концентрация электронов; Λ=6 - кулоновский логарифм.
Мощность источника:
S= t_x 5,1∙〖10〗^14 (ν q)/(ω^2+ ν^2 ) (2.3)
где q = 0,1; ω=2∙〖10〗^7 1/с.
Начальная температура электронов: Te0 = 199K.
Безразмерные параметры: tx =1/3 c, Rx = 104 см.
Расчет проводится в области 0 ≤ r ≤ 100 на временах t ~ 30. При этом, считая, что геометрические размеры расчетной области значительно превосходят радиус луча, Te(100,t) = Te0.
Решите численно уравнение теплопроводности с заданными коэффицентами, источником и начальным и граничными условиями.
2.2 Метод решения.
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
86
Размер файла
83 Кб
Теги
работа, курсовая
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа