Многомасштабное математическое моделирование эволюции арктического льда: влияние на изменение климата

Proyecto: Award Project

Detalles del proyecto

Description

Проблема описания и анализа эволюции арктического льда является актуальной из-за её влияния на климат арктической зоны Земли, который определяет целый комплекс жизненно-важных процессов биосферы северных регионов России. При прогнозе эволюции ледяного покрова, его таяния/прироста в настоящем проекте 2019 будет учтён комплекс новых параметров и функций, которые принципиально улучшат анализ данных. Во-первых, будет учтён экспериментальный факт нарастания солнечной активности [подтверждение и конкретные данные из современной научной литературы этого и последующих утверждений приведены в форме 4], которое постепенно сдвигает динамическое равновесие по соотношению основных термодинамических функций (температура, давление, объём воздушных и водных масс). Во-вторых, через функцию солнечной активности будет учтён новый важный параметр климатической модели – это влажность. Действительно, влажность создаёт дополнительную предпосылку для усиления парникового эффекта, который имеет положительную обратную связь с динамикой таяния ледяного покрова. В-третьих, будет учтена функция человеческой активности, которая через сельское хозяйство и индустрию поставляет в атмосферу количество газов, химикалий и твёрдых частиц, способных существенно влиять на термо-газо-гидро-динамический баланс больших областей в непосредственной близости к арктической зоне. Например, образование макроскопических скоплений протяжённых кластерных агрегатов в атмосфере над и рядом с промышленными областями создаёт «экранный щит» и изменяет отражательную способность от поверхности Земли с появлением особого локального климата, распространяющегося на арктическую зону. Эти запланированные темы проекта 2019 ставят новые научные задачи, решения которых улучшат прогноз и анализ эволюции ледяного покрова качественно и, как следствие, количественно.
В заявляемом проекте 2019 анализ климата арктической зоны и уменьшения толщины ледяного покрова будет выполнен при использовании методов математического моделирования. Для сохранения преемственности выполненных в проекте 2016 задач, продолжение работы будет проведено в рамках многомасштабной методологии моделирования. На каждом из пространственных уровней моделирования будет использована информация с предыдущего, более тонкого (мелкого) уровня, с микро- и мезо- уровней до макроскопического уровня моделирования. В частности, полученная при моделировании информация на уровне атомных плотностей в виде кинетических параметров движения границы будет передаваться на мезоскопический уровень моделирования кристаллов льда в виде матриц, содержащих данные о коэффициентах мобильности и временах релаксации потоков по различным кристаллографическим направлениям (гексагональной плотно-упакованной решётки кристаллов льда). С использованием этой информации будет промоделирована кинетика плавления и роста кристаллов льда при различных значениях переохлаждения/перегрева и вынужденного течения воды. Мезоскопическое моделирование процессов роста кристаллов в области фазового перехода позволит сформулировать динамическую модель кристаллизации с двухфазной областью с учётом кондуктивного и конвективного тепломассопереноса, обусловленного океаническими течениями. Решение динамических уравнений двухфазной зоны позволит смоделировать наблюдаемое в последние годы уменьшение толщины ледяного покрова в Арктике и рассчитать тепловые потоки между океаном и атмосферой. Смоделированные таким образом процессы глобального таяния льда (а также сезонного намерзания воды) будут учитываться в уравнениях макроскопической динамики ледяного покрова.
Научная новизна проекта 2019 заключается в решении оригинальных задач, поставленных авторами проекта и естественно возникающих из вышеперечисленных запланированных тем проекта 2019. (i) На микроскопическом пространственном уровне, в рамках континуальной модели кристаллического фазового поля, будет решаться задача о движении свободной анизотропной границы раздела фаз (особенно для гране- и объёмно-центрированной решётки, как для классических металлов в виде тестов на хорошо отработанных методиках вычислений методом молекулярной динамики и данных натурных экспериментов по кинетике роста кристаллов, а также для гексагональной плотно-упакованной решетки, как для воды). (ii) На мезосокопическом пространственном уровне будет получено и решено уравнение анизотропной границы, перемещающейся при произвольно малых/больших по величине термодинамических движущих силах (пересыщение, переохлаждение и, в общем случае, – разность энергии Гиббса). (iii) Одновременно на микроскопическом и мезосокопическом пространственных уровнях будет решена задача о кинетике формирования ледяных покровов с дефектами: стохастическая модель кристаллического фазового поля даст возможность оценить вероятность распределения дефектов и многозёренная модель фазового поля даст прогноз на распределение ансамблей зёрен с дефектами, позволит оценить скорость их таяния или роста. (iv) Используя модель с резкой границей будут решены задачи о плавлении/росте дендритных кристаллов с учётом вынужденного потока жидкости, а также получены решения для времён нестационарных периодов дендритной кристаллизации. Результаты теоретического моделирования по модели с резкой границей будут сопоставлены/скорректированы с результатами численного моделирования авторов проекта 2019 по методу фазового поля. (v) Как обобщение результатов проекта, для анализа на пространственном макро-уровне будет создан вычислительный пакет (модуль), моделирующий глобальные климатические изменения с учётом воздействия внешних физических процессов и явлений природы, позволяющий решить задачи: климатической эволюции (с учётом изменения солнечной радиации, таяния и прироста льда, увеличения концентрации диоксида углерода в земной атмосфере, изменения отражательной способности земной поверхности, эволюции растительности), а также определения равновесий и предельных циклов с переходом климатической системы к хаотическим осцилляциям.
Все заявленные задачи (i)-(v) являются новыми в их постановке, а их решение отвечает мировым стандартам теоретического моделирования, позволяющим произвести надёжный прогноз климатических условий при изменении границ и зон арктического льда.
EstadoFinalizado
Fecha de inicio / finalización efectiva17/06/201931/12/2020

Type of Financial Sources

  • RNF

GRNTI

  • 27.35.33

UrFU Research Division section that handles this grant (Kuibyshev, Mira)

  • Kuibyshev Research Division