Численное исследование нестационарных процессов и структур при техногенных возмущениях ионосферы в экваториальных и средних широтах

Исследования физической природы, морфологии и динамических характеристик околоземной космической плазмы имеют важное значение для обеспечения нормального функционирования космической техники, радиосвязи, глобальных спутниковых систем, для изучения эволюции генерируемых в термосфере, ионосфере различных возмущений, для решения экологических проблем, что составляет актуальную и важную проблему физики плазмы и вычислительной математики. Актуальность данного направления исследований связано с важными приложениями, такими как ускорение заряженных частиц, регистрация быстропротекающих реакций, генерация электромагнитного излучения, распространения и рассеивания электромагнитных волн в плазме при наличии неоднородностей различного типа. Весьма актуальным является вопрос об устойчивости плазменной оболочки Земли под влиянием техногенных и естественных воздействий, тесно связанных с наличием в околоземной плазме обратных связей, способных вернуть эту среду в состояние динамического равновесия. В этом плане приоритетной целью является решение сложных проблем физики ближнего космоса на базе цифровых технологий, эффективного использования современных вычислительных средств, а также создание математических моделей, численных методов и программных средств для решения актуальных задач. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы – создание оригинальных вычислительных алгоритмов, математических моделей и программного обеспечения для исследования разнообразных физико-химических процессов, и явлений, протекающих в околоземной космической плазме, для получения прогноза поведения ионосферы и плазмосферы Земли в различных геофизических условиях при техногенных возмущениях широкого спектра. Научная новизна проекта определяется комплексными исследованиями, в результате которых вместо применения отдельных физико-математических моделей, будут применены комплексы математических моделей, учитывающие особенности вычислительного характера, возникающие при исследовании процессов и крупномасштабных структур в плазменной оболочке Земли. Новизна предлагаемого подхода заключается в создании общей методики построения новых вычислительных алгоритмов явного типа, обеспечивающих хорошую точность и высокую эффективность распараллеливания. Предлагается комплексный подход к исследованию широкого спектра плазменных неоднородностей низкоширотной и частично среднеширотной ионосферы Земли с самосогласованным учетом неустойчивостей разных типов, в том числе и каскадные механизмы образования и усиления неоднородностей разных масштабов. Особенностью проекта является выполнение требований к свойствам используемых численных методов решения уравнений моделей. Особенностью моделей является сильная неравновесность плазмы на отдельных стадиях процессов, что приводит к необходимости учета плазменных неустойчивостей кинетического типа. Задачами проекта являются: 1) построение электродинамически согласованных моделей неустойчивости Рэлея-Тейлора в комплексе с другими плазменными неустойчивостями градиентных, дрейфовых и других типов, частности дрейфово-диссипативной, Кельвина-Гельмгольца, двух-потоковой; 2) построение численных методов решения уравнений моделей с учетом особенностей исследуемых процессов; 3) изучение механизмов генерации мелкомасштабных неоднородностей при комплексном самосогласованном учете неустойчивостей разных типов; 4) анализ полученных решений для объяснения основных механизмов экваториального F-рассеяния; 5) обобщение полученных результатов на средние широты; 6) исследование зависимостей этих процессов от гелио-геомагнитных условий, термосферных процессов и состояния E-слоя низкоширотной ионосферы. 7) построение модели ионосферно-плазмосферных взаимодействий со сверхтепловыми электронами, нейтральными и метастабильными составляющими. 8) проведение численного моделирования различных техногенных возмущений системы ионосфера – плазмосфера.