ОБЛАКА И ОКЕАН В МАТЕМАТИЧЕСКИХ ОБРАЗАХ
С.Пригарин, доктор физико-математических наук,
ведущий научный
сотрудник.
Институт вычислительной математики
и математической геофизики СО
РАН.
В ноябре-декабре 1997 года Президиум Сибирского отделения провел
конкурс научных проектов молодых ученых. Наш небольшой научный
коллектив из четырех молодых сотрудников и аспирантов Института
вычислительной математики и математической геофизики представил
проект под названием "Разработка методов численного моделирования
случайных полей для решения стохастических задач переноса
излучения" и получил в 1998--1999 годах финансовую поддержку в рамках
этого конкурса.
Кратко остановлюсь на теме проекта. Формирование изображений,
приток лучистой энергии из космоса на Землю и ее рассеяние в
атмосфере и океане, работа атомных реакторов -- все эти явления
описываются одним и тем же уравнением -- уравнением переноса
излучения. Решение этого уравнения, построение соответствующих
математических моделей и вычислительных алгоритмов является
актуальной проблемой для решения многих прикладных задач. Это
задачи метеорологии и общей теории климата, задачи лазерного
зондирования и интерпретации спутниковых наблюдений, задачи
радиационной защиты, обработки изображений и многие, многие
другие. Эффективным и наиболее универсальным средством решения
уравнения переноса излучения является метод Монте-Карло. Еще в
60--70-х годах в нашем институте это направление вычислительной
математики активно развивалось Г.Марчуком, Г.Михайловым и их
учениками. Результаты этих работ получили мировое признание.
Характерные черты проблем, которые исследовались в рамках нашего
молодежного проекта, состоят в следующем. При решении реальных
задач часто необходимо учитывать неоднородность и стохастичность
рассеивающих сред. Стохастичность среды может быть обусловлена,
например, облачностью в атмосфере, наличием случайных границ
между областями с различными оптическими характеристиками
(например, поверхность морского волнения), или такими явлениями,
как кипение охлаждающей жидкости и вибрация твердотельных
элементов конструкции в реакторе. Общая особенность этих примеров
-- случайность некоторых функциональных параметров уравнения
переноса. Целью нашего проекта было решение ряда стохастических
задач переноса нейтронов и задач оптики атмосферы и океана,
изучение некоторых эффектов, которые могут быть вызваны
стохастичностью рассеивающих сред. Разрабатывались также
соответствующие методы математического моделирования случайных
процессов и полей.
Работа молодежного коллектива (исполнители проекта: Галия Лотова,
Александр Лаврентьев и Наталья Губина) мне представляется
успешной и весьма продуктивной. За год с небольшим мы подготовили
более десятка публикаций, в том числе и в самых престижных
отечественных и зарубежных изданиях, представили свои результаты
на нескольких международных конференциях.
Очень кратко перечислю некоторые направления работ по теме нашего
проекта.
Построена численная модель поверхности морского ветрового
волнения. Эта модель использовалась для вычисления некоторых
характеристик поля оптического излучения, отраженного морской
поверхностью. Было показано, что построенная нами модель
позволяет более адекватно описать процессы переноса излучения по
сравнению с традиционной "фацетной" моделью, так как она
позволяет учесть эффекты переотражения и затенения излучения
элементами поверхности. Разработанная нами численная модель
поверхности морского волнения может быть использована для решения
различных прикладных задач. В частности, мы начали работы по
обоснованию различных методик определения скорости ветра над
морской поверхностью по результатам лидарного зондирования и по
наблюдениям солнечных бликов и солнечной дорожки на море.
Разработаны численные модели стохастической структуры кучевой и
слоисто-кучевой облачности. Эти модели также использовались при
изучении процессов переноса излучения в облачной атмосфере и было
показано, что учет стохастической структуры облачности здесь
чрезвычайно важен. В частности исследования, проведенные
Г.Титовым в Институте оптики атмосферной (г.Томск) с
использованием переданных нами алгоритмов, показали, что
известная проблема аномального поглощения в облаках может быть
решена, если учесть стохастичность реальных облачных полей.
Ряд интересных эффектов оптики облачной атмосферы изучался
методом Монте-Карло. Обычно наличие облачности приводит к тому,
что у поверхности земли становится темней, и доля падающего
излучения, возвращаемая в космос (альбедо), увеличивается.
Оказывается, что при определенных условиях все может быть как раз
наоборот (достаточно тонкие облачные поля и достаточно большая
вероятность отражения от подстилающей поверхности, как, например,
при снежном покрове) Облачность может увеличивать среднюю
интенсивность излучения у поверхности земли и уменьшать альбедо
всей системы. Это объясняется многократным "переотражением"
излучения между облачным слоем и подстилающей поверхностью. Такие
явления были смоделированы нами на ЭВМ.
Кроме этого, в рамках нашего проекта ведется работа по
исследованию общих методов моделирования случайных процессов и
полей; по созданию комплексного программного обеспечения для
вычислительных экспериментов для решения задач радиационного
баланса, переноса изображений и лидарного зондирования в
атмосфере и океане; а также по моделированию процессов переноса
нейтронов в случайных средах.
Первоначально, когда проект еще только готовился, были
запланированы работы еще по одному направлению. Но так сложились
обстоятельства, что молодой человек, за которым была закреплена
тема, предпочел научным исследованиям более прибыльную работу.
Сейчас это довольно типичная ситуация, когда способный и
перспективный молодой специалист вынужден бросать
низкооплачиваемую работу в институте, искать другую возможность
зарабатывать на жизнь.
"Неслучившаяся" тема: расчет оптических характеристик аэрозольных
частиц фрактальной структуры. Речь идет об определении оптических
характеристик аэрозоля, состоящего из "крупных" частиц (например,
сажа, пыль, снежинки).
Несколько слов о самой идее конкурса и ее реализации. Хочется
надеяться, что поддержка молодых ученых сейчас -- это
существенный вклад в будущее процветание Сибирского отделения.
Особенно важны подобные мероприятия на фоне пока успешного
разрушения нашей науки (и государства в целом) усилиями как
внешних недоброжелателей, так и их внутренних активных
помощников, находящихся у власти.
В то же время отмечу несколько недостатков по процедуре
финансирования: нерегулярность и непредсказуемость выплат,
отсутствие средств для оплаты командировок и приобретения
оборудования. Если у Сибирского отделения есть возможность как-то
решать эти проблемы, то желательно, чтобы эти недостатки были
устранены при проведении последующих конкурсов.
стр.
| 
