Усовершенствование модели молекулярной теплопроводности в термосфере


с. 1
Усовершенствование модели молекулярной теплопроводности в термосфере Земли

В настоящее время при моделировании верхних слоев атмосферы Земли – термосферы – применяются разные параметризации коэффициента молекулярной теплопроводности (МТ). В рамках заявленной научно-исследовательской работы был проведен сравнительный анализ этих параметризаций на основе решения уравнения баланса энергии в термосфере для среднеглобальных условий. В результате оказалось, что имеющаяся неопределенность в оценке задаваемого значения МТ дает разброс при расчете температуры термосферы вплоть до 300 K, а при расчете плотности на высоте 300 км – до 40%. В связи с этим нами была разработана новая параметризация коэффициента МТ газов N2, O2 и O, предназначенная для использования в численных моделях общей циркуляции термосферы Земли. Повышение точности полученной параметризации было достигнуто главным образом за счет привлечения новых экспериментальных данных о температурной зависимости МТ рассматриваемых газов.


Также, в соответствии с техническим заданием и календарным планом работ на 2008 год, был детально исследован процесс переноса энергии вращательно возбужденных состояний молекул N2 и O2 механизмом МТ в термосфере Земли. Для этого была составлена и решена система кинетических уравнений баланса населенностей вращательных состояний молекул N2 и O2, в которых впервые совместно учитываются как диффузионный перенос вращательно возбужденных молекул так и столкновительные процессы их образования и гибели. Принципиальная возможность реализуемого подхода появилась только в 1990-х годах, когда с помощью лазерной рамановской спектроскопии были получены экспериментальные данные о скоростях столкновительных вращательных переходов N2 и O2, без которых невозможно составить уравнение баланса населенностей. Поэтому ранее указанные населенности просто молчаливо предполагались равновесными (т.е. соответствующими распределению Больцмана по энергиям). Действительно, обычно равновесие по вращательным степеням свободы нарушается только на больших высотах в атмосфере, где уже плотность вещества настолько мала, что отклонение от равновесного распределения не может существенно изменить энергетический бюджет атмосферы. Целью данного исследования была проверка оправданности указанного допущения для молекул N2 и O2, а также разработка нового метода расчета притока тепла в механизме МТ за счет внутренних степеней свободы молекул, основанного на решении системы кинетических уравнений для возбужденных состояний молекул. Такой метод является более строгим, в отличие от традиционного подхода, поскольку он позволяет учесть возможные отклонения от равновесного распределения возбужденных состояний – здесь приток тепла расчитывается напрямую из полученных значений населенностей, минуя само понятие коэффициента теплопроводности традиционного метода.
В результате проведенных расчетов оказалось, что вращательные населенности N2 и O2 в термосфере Земли действительно очень близки к равновесным. Этот результат дает теперь основание использовать коэффициенты МТ, измеренные в лабораторных (равновесных) условиях. Однако следует иметь в виду, что это справедливо только для поступательных и вращательных степеней свободы молекул. Для колебательных степеней свободы равновесное распределение может нарушаться. В этом случае для расчета притока тепла необходимо будет использовать разработанный нами метод.
Резюмируя, можно выделить следующие главные результаты проделанной работы:

- проведен сравнительный анализ используемых в настоящее время параметризаций коэффициента молекулярной теплопроводности в численных моделях термосферы Земли;

- предложена новая параметризация коэффициента молекулярной теплопроводности термосферы Земли, основанная на последних экспериментальных данных;

- разработан новый метод расчета притока тепла в термосфере за счет молекулярной теплопроводности; суть метода заключается в разделении вкладов поступательных и внутренних степеней свободы молекул;



- расчитаны населенности вращательно возбужденных состояний молекул N2 и O2 в термосфере Земли.
с. 1

скачать файл