Численное и аналитическое исследование условий длительного удержания в окрестности Земли техногенных микрочастиц.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-21-00038

НазваниеЧисленное и аналитическое исследование условий длительного удержания в окрестности Земли техногенных микрочастиц.

Руководитель Колесников Евгений Константинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-316 - Методы математического моделирования, оценивания и управления механическими и биомеханическими системами

Ключевые слова околоземное космическое пространство (ОКП), мелкомасштабные орбитальные объекты (МОО), техногенные микрочастицы (МЧ), мелкодисперсные продукты деградации материала поверхности крупных орбитальных объектов

Код ГРНТИ89.01.94

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение новых задач механики, связанных с исследованием механизмов антропогенного загрязнения ближнего космоса и верхней атмосферы мелкомасштабными орбитальными объектами (МОО) техногенного происхождения. Будут проведены теоретические исследования, направленные на определение условий длительного удержания в ОКП техногенных микрочастиц (МЧ) с размерами менее 1 мм и ансамблей из указанных частиц. В связи чрезвычайной сложностью задачи движения в ОКП одиночной МЧ, подверженной воздействию целого комплекса физических факторов, основное внимание будет уделено применению для решения указанной задачи методов численного моделирования. При численном моделировании движения в ОКП техногенных МЧ будет учитываться воздействие на их динамику: центрального гравитационного поля Земли и его возмущений, обусловленных полярным сжатием Земли и гравитационными полем Солнца; силы солнечного давления; силы сопротивления нейтральной компоненты фонового газа, а также электродинамических сил, обусловленных взаимодействием наводимого на МЧ заряда с магнитным и электрическим полями околоземного космического пространства. При определении электродинамических возмущающих сил магнитное поле Земли будет аппроксимировано суммой заданного числа сферических гармоник ряда Гаусса, а электрическое поле в ОКП будет представлено как суперпозиция полей коротации и конвекции. Для определения силы сопротивления верхней атмосферы в точке местонахождения частицы будет использована аналитическая модель высотного хода плотности атмосферы, учитывающая зависимость плотности атмосферы от солнечной и геомагнитной активности. Для учета эффекта изменения электрического заряда МЧ в процессе ее орбитального движения в ОКП уравнения движения МЧ в ОКП будут решаться совместно с уравнением ее зарядки. Для определения заряжающих токов при нахождении МЧ в различных структурных областях плазменной оболочки Земли (ионосфере, плазмосфере и плазменном слое) будут использованы соответствующие модели пространственного распределения плазмы в указанных структурных областях для различных уровней солнечной и геомагнитной активности. Для обеспечения возможности численного моделирования движения МЧ на больших временах с момента инжекции в ОКП, будет учтен эффект годичного движения Солнца. В указанной постановке программы численного моделирования динамики в ОКП техногенных МЧ и ансамблей техногенных МЧ не имеют аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом. При проведении исследований основное внимание предполагается уделить представляющим значительный практический интерес случаям одиночной и непрерывной множественной инжекции МЧ источником, движущимся в ОКП по: геостационарной орбите; орбитам с параметрами, характерными для орбит спутников навигационных систем, по вытянутой эллиптической орбите с низким перигеем, а также – по низкой околоземной орбите. Аналитические методы исследования будут применяться при определении условий длительного орбитального существования наиболее мелких МЧ с размерами менее 0.1 мкм в ситуациях, когда корректными являются модельные постановки баллистической задачи, основанные на физически оправданных упрощающих предположениях о заряде МЧ, а также о магнитном и электрическом полях в ОКП.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Колесников Е.К., Чернов С.В. Аналитический метод определения условий длительного орбитального существования техногенных наночастиц, инжектируемых в околоземное пространство на высокой круговой орбите Космические исследования (год публикации - 2024)

2. Колесников Е.К., Чернов С.В. О температурах аэродинамического нагрева сферических микрочастиц, моделирующих микробиологические объекты, входящие в атмосферу Земли с космическими скоростями Космические исследования (год публикации - 2024)

3. Колесников Е.К., Клюшников Г.Н. О периодических орбитах заряженных частиц в суперпозиции поля магнитного диполя и однородного магнитного поля, коллинеарного магнитному моменту диполя X Поляховские чтения: Материалы международной научной конференции по механике, 23–27 сентября 2024 г., Санкт–Петербург, Россия. СПб.: Издательство ВВМ, 2024. с. 675-679. ISBN 978-5-9651-1587-7, X Поляховские чтения: Материалы международной научной конференции по механике, 23–27 сентября 2024 г., Санкт–Петербург, Россия. СПб.: Издательство ВВМ, 2024. с. 675-679. ISBN 978-5-9651-1587-7 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С использованием программ, разработанных на 1 этапе выполнения проекта, продолжены численные эксперименты, направленные на определение условий длительного орбитального существования МЧ с размерами от 0.5 нм до 100 мкм, отделяющихся от поверхности крупных орбитальных объектов (т.н. материнских тел (МТ)) в результате деградации материала поверхности МТ по действием факторов космической среды. Рассмотрены случаи движения МТ по: высоким орбитам с параметрами характерными для орбит спутников навигационных систем; вытянутой эллиптической орбите с низким перигеем, а также – по низким околоземным орбитам. Результаты численного моделирования показывают, что в первых двух случаях большие времена орбитального существования в ОКП (порядка нескольких лет и более) могут иметь как крупные продукты деградации материалов поверхности МТ с размерами большими соответствующих пороговых значений порядка нескольких микрон, так и сверхмелкие частицы с размерами менее 0.1 мкм, которые захватываются магнитно-гравитационной ловушкой Земли. В тоже время в случаях движения МТ по низким орбитам, в качестве которых в численных экспериментах рассматривались низкие круговые орбиты с высотами от 250 до 1500 км, нижняя граница высот материнских орбит, при инжекции на которых возможно длительное орбитальное существование наиболее крупных из рассматриваемых микрочастиц (радиусом 100 мкм), равна примерно 600 км. С ростом высоты орбиты становится возможным длительное орбитальное существование более мелких частиц, однако даже на орбите высотой 1500 км оно возможно только для МЧ с радиусами большими соответствующих пороговых значений порядка нескольких микрон. Длительное же орбитальное существование сверхмелких частиц с размерами менее 0.1 мкм, отделяющихся от поверхности МТ, движущихся по низким круговым орбитам, оказывается невозможным. С использованием программ, разработанных на 1 этапе выполнения проекта, продолжены численные эксперименты, направленные на определение качественных особенностей и условий формирования в ОКП долгоживущих облаков из мелкодисперсных продуктов деградации материала поверхности крупных орбитальных объектов. Рассмотрены случаи движения МТ по: высоким орбитам с параметрами характерными для орбит спутников навигационных систем; вытянутой эллиптической орбите с низким перигеем, а также – по низким околоземным орбитам. Одним из практически важных результатов указанных численных экспериментов является обнаружение существенной особенности пространственной конфигурации облака продуктов деградации материала поверхности крупного МТ, движущегося по вытянутой эллиптической орбите с низким перигеем: на временах порядка 0.5 года с начального момента из продуктов деградации формируется протяженное поперечно ограниченное образование («струя» микрочастиц), которое на временах более 1 года нескольких раз охватывает Землю. Полученные расчетные данные позволяют предположить, что долгоживущие «струи» из продуктов деградации материала поверхности крупных орбитальных объектов, движущихся по вытянутым эллиптическим орбитам с низким перигеем, и образуют плотные астрозольные облака, наблюдавшиеся на целом ряде низкоорбитальных космических аппаратов: спутнике LDEF, ОКС “Салют” и “Мир”, челноке Space Shuttle. Разработаны методы аналитического определения конфигурации области пространственной локализации сверхмелких (с размером порядка 10 нанометров) продуктов деградации материала поверхности крупного орбитального объекта, движущегося в приземной части пламенного слоя, а также – в плазмосфере Земли. Кроме того, с использованием эффективного потенциала, описывающего двумерное движение НЧ в ведущей плоскости в геомагнитной системе координат, разработана методика определения точек устойчивого равновесия НЧ, которым в трехмерном случае соответствуют устойчивые круговые орбиты, лежащие в плоскостях перпендикулярных магнитной оси Земли (т.н. «гало-орбиты»). Разработан и реализован в расчётной программе алгоритм численного поиска квазипериодических и периодических орбит заряженных частиц в аппроксимации геомагнитного поля суперпозицией поля магнитного диполя и однородного магнитного поля, коллинеарного магнитному моменту диполя. Алгоритм основан на использовании интегралов энергии и обобщённого углового момента, а также свойства периодических орбит пересекать экваториальную плоскость. https://math.spbu.ru/rus/2224-uchenye-spbgu-vyyasnili-chto-spory-bakterij-sposobny-vyderzhat-padenie-iz-kosmosa-na-zemlyu.html

Публикации