Лаборатория МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Лаборатория МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

| | |
| --- | --- |
| Руководитель: | Шувалов Валерий Викторович |
| Должность: | заведующий лабораторией |
| Местоположение: | 119334, г. Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1 |
| Адрес сайта: | |
| Электронная почта: | |
| | |

Основные направления исследований лаборатории:

изучение последствий падения на Землю космических тел

оценка экологических последствий промышленных взрывов и вулканических извержений

моделирование отклика ионосферы на сильные возмущения различной природы

исследование последствий падений космических тел на Луну, Марс и Венеру

Актуальность этих исследований определяется необходимостью оценки рисков, связанных с различными катастрофическими явлениями и фундаментальной ролью катастрофических явлений разного масштаба в истории Земли и других планет. Результаты исследований могут быть использованы для планирования и анализа будущих космичесикх полетов на Луну, Марс и Венеру.

Основные методы исследования – разработка сложных физико-математических моделей изучаемых явлений и проведение численных экспериментов.

Текущие задачи:

Развитие и внедрение методики быстрой оценки последствий падения на Землю космических тел разного размера (калькулятора последствий): уточнение интерполяционных формул, проведение дополнительных расчетов, включение новых поражающих факторов и увеличение области определения для уже включенных, повышение быстродействия (оптимизация), модернизация способа представления результатов и дизайна.

Развитие моделей взаимодействия метеорных тел размером (1-20 метров и меньше) с атмосферой, численное моделирование движения и абляции метеороида, сопоставление с результатами наблюдений метеорных тел в атмосфере. Сопоставление результатов моделирования с небольшими молодыми сохранившимися кратерами и кратерными полями на Земле и Марсе.

Оптический и акустический мониторинг метеоров в ГФО "Михнево".

Исследование влияния разрушения астероидов на орбитах при приближении к Земле и последствий ударов разрушенных астероидов. Определение оптимальных вариантов разрушения для минимизации опасных последствий ударов.

Определение массы вещества ударника, грунта и воды, выбрасываемой в атмосферу при падении крупных космических тел в океан разной глубины. Оценка химического состава выброшенного вещества по максимальному давлению, испытываемому при ударном сжатии.

Моделирование разрушения астероидов в атмосфере Венеры и воздействия разрушенных астероидов на поверхность планеты.

Развитие моделей и методов расчета формирования облака микрочастиц пыли и его дисперсии в поле ветра при массовых (одновременных) взрывах на горнорудных карьерах.

70-80-е годы

Проведены теоретические исследования взаимодействия мощных импульсов лазерного излучения с веществом. Оценки И.В. Немчинова и численные эксперименты В.И. Бергельсона, Т.В. Лосевой и др. позволили объяснить основные механизмы распространения плазменного фронта вдоль лазерного луча: световую детонацию, режим выталкивания, дозвуковую и сверхзвуковую радиационные волны.

Для численного моделирования радиационно-газодинамических процессов, необходимого для решения многих задач, стоявших перед институтом, нужны были таблицы оптических свойств различных веществ. Сложные квантово-механические расчеты для создания таких уникальных таблиц были налажены под руководством И.Б. Косарева.

И.В. Немчиновым разработан метод осреднения для расчета спектрального излучения в задачах радиационной газовой динамики. Использование этого метода позволило В.В. Светцову и В.В. Шувалову оценить высвет при сильных взрывах, потоки и спектры излучения сильных ударных волн, распространяющихся в воздухе и инертных газах.

90-е годы

Под руководством И.В. Немчинова В.М. Хазинсом, И.В. Бергельсоном, Т.И. Орловой и др. проводились теоретические исследования эффекта теплого слоя. Этот эффект, впервые зарегистрированный при проведении ядерных взрывов, состоит в глобальной и кардинальной перестройке течения за фронтом ударной волны, распространяющейся вдоль поверхности, при наличии теплого разреженного слоя или канала. В результате была построена теория этого явления, подтвержденная лабораторными экспериментами, определены критерии возникновения эффекта.

На рисунке показаны распределения температуры (а) и давления (б), полученные в расчетах распространения ударной волны (УВ) при наличии тонкого теплого слоя, расположенного перпендикулярно фронту УВ. Давление в теплом слое такое же как в окружающем воздухе, плотность меньше, скорость звука больше. Наличие такого даже очень тонкого слоя приводит к глобальной и кардинальной перестройке течения с образованием предвестника, размеры которого могут быть на порядки больше толщины самого теплого слоя.

Начаты работы по численному моделированию явлений, сопровождающих вход в атмосферу Земли космических тел разного размера. Результаты этих исследований позволили сопоставить мощность вспышки излучения с энергией метеороида и показали, что каждый год в атмосферу Земли входит около 10 метеороидов с энергией порядка одной килотонны.

Распределение болидов, зарегистрированных со спутников (по данным, доступным до 2003г) по энергиям. Большая часть таких болидов вызвана метеороидами с массами>1 т, и размерами порядка 1-5 м в диаметре.

Сравнение теоретического и наблюдаемого спектров для метеороида Бенешов на высоте 40 км. Для этого метеороида было получено полностью согласованное описание, включающее оценку его массы, описание динамики и разрушения в атмосфере, воспроизведение кривой блеска. Впервые был получен теоретический спектр излучения и успешно сопоставлен с наблюдаемым (Borovička et al, 1998)

В 1990-х в лаборатории выделилась группа, координируемая С.И. Попелем, позднее преобразованная в лабораторию Микроструктурных объектов в геофизике, в которой проводились активные исследования нелинейных процессов в плазме, пылевой плазмы в природе, нано- и микромасштабных объектов в геофизике. Исследования, проведенные в этой группе позволили объяснить процессы эволюции Местной Межзвездной Среды, открыть новые виды ударных волн в пылевой плазме, развить нелинейные методы физики плазмы, описать происхождение и эволюцию нано- и микромасштабных объектов в различных природных системах, выполнить моделирование серебристых облаков, летних полярных радиоотражений, атмосферных коричневых облаков и т.д.

В.В. Светцовым построена модель Тунгусского явления, объясняющая отсутствие найденных фрагментов Тунгусского космического тела (ТКТ). Эти результаты, опубликованные в журнале Nature, опирались, в частности, на результаты экспериментов по лабораторному моделированию Тунгусского явления, проведенных в Спецсекторе ИФЗ в 1966 г. М.А. Цикулиным и И.Т.Зоткиным. Позднее Н.А. Артемьевой и В.В. Шуваловым проведены численные эксперименты, моделирующие все стадии взаимодействия ТКТ с атмосферой.

| | |
| --- | --- |
| | |

Рой осколков Тунгусского метеороида на стадии его полной дезинтеграции. Z – высота от поверхности Земли, Y – горизонтальная координата. Черными кружками изображены частицы метеороида, точками – частицы атмосферы. Гипотетический каменный метеороид, 58 м в диаметре, в расчетах состоял из 650 частиц, из которых 340 остались в области, охваченной рисунком. Рой осколков в этот момент имеет среднюю скорость 10 км/с, в то время как начальная скорость метеороида предполагалась равной 15 км/с. Впереди роя летят более массивные частицы.

Форма ударной волны и светящейся области Тунгусского метеороида на высоте 5 км. Скорость болида упала до 3 км/с. В заштрихованной области полной абляции полностью испаряются каменные фрагменты метеороида размером до 10 см. Если в результате столкновений и приобретения дополнительной поперечной скорости фрагменты размером 3-10 см отрываются от светящейся области на высотах 15-20 км, то они могут сохраниться и выпасть на поверхность.

И.В. Немчиновым, Н.А. Артемьевой, И.Б. Косаревым, В.В. Светцовым и В.В. Шуваловым разработана физико-математическая модель падения фрагментов кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер, позволившая оценить размеры этих фрагментов путем сравнения рассчитанных потоков излучения с наблюдениями со спутника Galileo.

2000 – 2010 г.

В.В. Шуваловым, Н.А. Артемьевой и В.В. Светцовым разработан программный комплекс SOVA, который до сих пор широко используется при моделировании ударных явлений.

Большой опыт, накопленный при изучении наземных взрывов, был успешно использован при изучении ударных кратеров, образованных на поверхности Земли при падении крупных космических тел. Достижения института в этой области общепризнаны в мире, что выразилось в том, что Н.А. Артемьева в 2015 г. (как и сотрудник лаборатории Деформационные процессы в земной коре Б.А. Иванов в 1998 г.) была награждена престижной медалью Барринджера, присуждаемой за выдающиеся работы в области образования кратеров и/или работы, которые привели к лучшему пониманию ударных явлений.

Для интерпретации проводившихся в 1998-2002 гг. масштабных международных наблюдений метеорного дождя потока Леонид Немчиновым И.В., Поповой О.П., Шуваловым В.В. была предложена модель воздушного пучка, позволившая продемонстрировать, что перед метеороидом формируется экранирующее поверхность тела облако паров, и основным источником излучения является не только голова метеора но и след за телом. Дальнейшие работы по взаимодействию мелких метеорных тел с атмосферой в сотрдничестве с Стрелковым А.С. и Сидневой С.Н. позволили объяснить высотное свечение быстрых метеорных тел с помощью эффекта распыления.

Распределение относительной плотности (т.е. отношение локальной плотности к плотности окружающего воздуха в логарифмическом масштабе) вокруг тела диаметром 1 см на высоте 100 км; учитывается поглощение энергии, импульса и массы. (б) Распределение температуры в следе, образованном метеороидом радиусом 1 см на высоте 115 км.И.В.

Немчиновым создана группа по исследованию явлений генерации электрических и магнитных полей, вызванных процессами разрушений в земной коре, сопровождающих природные катастрофы (эндогенного и экзогенного происхождения). В дальнейшем, в рамках работы этой группы под руководством Т.В. Лосевой, был разработан ряд моделей сейсмоэлектромагнитного эффекта (скин-эффект, квазинезависимый поворот структурного блока при его релаксации в стесненных условиях, мультидипольная модель), позволяющих с помощью численного 3D моделирования рассчитывать выход электромагнитного излучения на поверхность земли от подземного источника тока произвольной конфигурации в условиях произвольного распределения проводимости сред. Сравнение всех результатов расчетов показало хорошее согласие с данными соответствующих наблюдений.

Распределения электрических и магнитных полей на поверхности Земли, полученные при численном моделировании их генерации, вызванной разрывными процессами при землетрясении 1995 г. в г. Кобе в Японии, согласующиеся с результатами соответствующих измерений

Схема распространения волны коронного разряда и пример численного моделирования процесса его развития в отсутствие (слева) и при наличии (справа) бокового ветра.

2010 – 2023 г.

В 2013 г. группа сотрудников лаборатории под руководством О.П. Поповой приняла активное участие в изучении падения Челябинского метеорита. Была организована экспедиция на место падения, построены физическая и математическая модели явления, которые позволили объяснить весь спектр наблюдавшихся эффектов. Результаты этих работ были опубликованы в журнале Science.

Карта разбитых стекол с контурами избыточного давления. Сплошные оранжевые кружки – наличие разрушений по данным зкспедиции ИДГ РАН и ИНАСАН, открытые черные – отсутствие разрушений. Сплошные красные кружки - наиболее поврежденные населенные пункты по официальным данным. Каждая точка, независимо от плотности населения, представляет собой одну из многих деревень или городских районов, разбросанных по территории. Контуры модели (с прогрессивной серой шкалой) представляют кинетическую энергию и избыточное давление изнутри наружу: 300 кт ТНТ и Δp> 1000 Па, 520 кт ТНТ и Δp> 1000 Па, 300 кт ТНТ и Δp> 500 Па, 520 кт ТНТ и Δp> 500 Па, соответственно. Показаны места обнаружения метеоритов (желтые точки) и спроецированная на землю траектория астероида (черная линия). Белым цветом показана яркость болида.

(а) Результат моделирования образования и распространения ударной волны. Ударная волна показана тонкой белой линией, и предполагалось, что выделение энергии пропорционально кривой блеска (Popova et al., 2013; Shuvalov et al. 2017). Образовавшаяся структура напоминает наблюдаемый след. (б) След от Челябинского метеороида, наблюдаемый из Троицка (примерно в 85 км к югу от траектории метеороида).

В 2016-2018 гг. в рамках проекта РНФ, которым руководил В.В. Шувалов, была разработана методика быстрой оценки основных поражающих факторов при падении на Землю комет и астероидов. Отличие этой методики от других состоит в том, что она основана не на аналогии с сильными взрывами а на результатах проведенных систематических расчетах ударов. Для оценки последствий падения на Землю космических тел был разработан комплекс программ, моделирующий все стадии взаимодействия комет и астероидов с атмосферой Земли и твердой поверхностью. Разработанные модели были использованы для моделирования падений космических тел в широком диапазоне их параметров. Размеры метеороидов изменялись в диапазоне от 20 м до 3 км, плотности вещества ─ от 1 до 3,3 г/см3, скорость ─ от 20 до 70 км/с, угол наклона траектории ─ от 15 до 90 градусов, энергия от 0,5 Мт до 29 Тт ТНТ. На основе полученных результатов были получены аппроксимационные соотношения для оценки основных последствий ударов: параметров образующегося кратера (если образуется), избыточного давления за фронтом ударной волны, потоков излучения на поверхности Земли, магнитуды сейсмических возмущений, выбросов из кратера, атмосферных возмущений и т.д.. Эти соотношения были использованы для разработки калькулятора последствий «Impact Effects», который позволяет быстро оценить основные поражающие факторы при падении космического тела с заданными параметрами. Калькулятор доступен в интернете по адресу http://AsteroidHazard.pro.

Изображения карты поверхности Земли на сайте калькулятора ImpactEffetcs.

Панель отображения результатов оценок последствий на сайте калькулятора ImpactEffetcs.

Предложен автоматизированный метод оценки параметров метеороидов (массы, размера и плотности) по кривым блеска на основе модели абляции мелких метеорных тел. Большинство метеорных тел не достигают поверхности Земли, поэтому их свойства приходится определять по косвенным признакам. Несмотря на длительную историю изучения метеорных явлений, проблема точного определения массы, плотности и свойств вещества метеороида по наблюдательным данным остается до конца нерешённой. Этот подход был применен для оценки параметров метеоров потока Персеид яркостью от -2 до +2 звездной величины. Показано, что предлагаемый метод позволяет оценивать параметры метеорных тел с хорошей точностью даже при зашумленных данных в рамках сделанных предположений.

В.М. Хазинсом и В.В. Шуваловым совместно с лабораторией Приповерхностной Геофизики построена численная модель формирования и распространения облака микрочастиц пыли, начиная от подрыва ВВ в пробуренных в грунте скважинах до распространения облака пыли в поле ветра на расстояния до нескольких километров.

Эволюция газопылевого облака-струи с 5 до 20 секунд. Точки разного цвета соответствуют конденсированным частицам разного размера r. Значения времени t в секундах указаны на каждом фрагменте рисунка, все расстояния указаны в километрах

Концентрация мелкодисперсной пыли через две минуты после начала распространения облака; вертикальный разрез в направлении ветра. Все размеры на осях приведены в метрах, значения концентрации – в мг/м3

В.В. Шуваловым была построена численная модель падения крупных (размером порядка 10 км) астероидов в океан и показано, что при таких ударах воздействие на атмосферу Земли будет не менее сильным, чем при падении астероидов на сушу.

Распределения плотности воды (синий цвет) и вещества ударника и грунта (коричневый цвет) в г/см3 через 1 и 20 мин после падения десятикилометрового астероида со скоростью 20 км/с под углом α=45 градусов и вертикально в океан глубиной 4 км. Все расстояния измерены в километрах

Шувалов Валерий Викторович

Заведующий лабораторией

Глазачев Дмитрий Олегович Научный сотрудник

Ефремов Владимир Владимирович Младший научный сотрудник

Кузьмичева Марина Юрьевна Старший научный сотрудник Array

Артемьева Наталья Анатольевна Старший научный сотрудник Array

Лосева Татьяна Васильевна Ведущий научный сотрудник Array

Печерникова Галина Викторовна Ведущий научный сотрудник Array

Подобная Елена Дмитриевна Младший научный сотрудник

Попова Ольга Петровна Старший научный сотрудник Array

Светцов Владимир Владимирович Ведущий научный сотрудник Array

Сергеев Виктор Николаевич Старший научный сотрудник Array

Хазинс Валерий Михайлович Ведущий научный сотрудник Array

Истоки лаборатории уходят в пятидесятые годы прошлого века, когда в рамках Спецсектора ИХФ была сформирована лаборатория Ударных Волн для теоретического изучения физических явлений, сопровождающих сильные взрывы. В современном ее виде лаборатория сложилась к началу 60-х годов после присоединения Спецсектора к ИФЗ и приходом к ее руководству лауреата Ленинской премии Немчинова Ивана Васильевича. Иван Васильевич расширил круг решаемых задач, оставаясь генератором идей и вдохновителем их реализации вплоть до конца своих дней. В 1960-е гг. в лаборатории для решения поставленных задач начали активно применяться численные расчеты с использованием ЭВМ. Для освоения численных методов была принята на работу большая группа выпускников Мехмата МГУ и МФТИ. С 2006 г лабораторию возглавляет ученик И.В. Немчинова, Шувалов В.В.

Иван Васильевич Немчинов