IGF



Rozprawa Doktorska

Numeryczne symulacje ewolucji rzek jedno- i wielokorytowych na Ziemi i Tytanie

Autor:

Promotor:

Instytucja promująca:

Rok:

Katarzyna Misiura

dr hab. Leszek Czechowski

Wydział Fizyki UW

2018

Celem niniejszej pracy doktorskiej było: -zbadanie właściwości rzek ziemskich i określenie ich ewolucji dla dużych nachyleń koryta-w zakresie 0,01-0,04 rad;-zbadanie właściwości rzek na Tytanie i określenie ich ewolucji oraz porównanie ich z rzekami na Ziemi;-zbadanie rzek ziemskich płynących przez bazaltowe podłoże;-rozważenie klasyfikacji rozpatrywanych rzek, w tym próba zastosowania i modyfikacji obecnie przyjętych klasyfikacji.W pracy wykorzystano symulacje numeryczne jako podstawową metodę badawczą. Zaadaptowano i wykorzystano pakiet numeryczny CCHE2D, stworzony przez naukowców z Uniwersytetu w Missisipi. Bazuje on na uśrednionych po głębokości, dwuwymiarowych równaniach Naviera-Stokesa oraz trójwymiarowym, konwekcyjno-dyfuzyjnym równaniu transportu osadów.Na początku sprawdzono stosowalność programu do warunków innych niż ziemskie. Później ustalono i dostosowano odpowiednie parametry przepływu i transportu, niezbędne do rozpoczęcia symulacji, które pasowałyby do obecnej wiedzy o Tytanie. Następnie wykonano symulacje oraz przystąpiono do opracowywania i analizy danych.Wykonano obliczenia dla różnych czasów symulacji i różnych geometrii rzeki. Początkowe (do kilku dni) symulacje przeprowadzono dla geometrii rzeki East Fork. Miały one na celu rozeznanie zależności zachowania modelu od poszczególnych parametrów. Kolejne symulacje, również dla geometrii East Fork, trwały do 22-66 dni. Miały na celu sprawdzenie, czy założona geometria rzeki pozwoli na przekształcenie jej w inny typ i w jakich warunkach jest to możliwe. Kolejnym etapem były symulacje do ok. 240 dni, przeprowadzone dla geometrii rzeki o prostym, neutralnym kształcie, nie narzucającym późniejszej ewolucji rzeki. Symulacje te różniły się od poprzednich, także monofrakcyjnym uziarnieniem oraz zastosowaniem kilku różnych materiałów osadów. Symulacje wykonano w przypadku Ziemi - dla kwarcu i bazaltu oraz wody. W przypadku Tytana - dla lodu wodnego oraz cieczy odpowiadającej składowi tytanowemu deszczowi.Wstępne wyniki wykazały, że trzy różne, założone dla Tytana ciecze, dają podobne pola prędkości co usprawiedliwia zastosowanie tylko jednej z nich w dalszych symulacjach. Po drugie, transport zawiesinowy jest głównym sposobem transportu osadów w rzekach na Tytanie. Na Ziemi zarówno transport zawiesinowy jak i denny są istotne, przy czym denny jest znacząco wyższy niż na Tytanie. Różnice w ewolucji rzek na Ziemi i Tytanie wynikają z różnego tempa erozji oraz transportu i akumulacji osadów. Wstępne wyniki krótkich symulacji pokazały, że dla tych samych warunków na Ziemi i Tytanie, mogą wykształcać się różne typy rzek. Wynik ten zachęcił do zbadania warunków w jakich powstają różne typy rzek, a zwłaszcza rzeki jedno- i wielokorytowe. Wykonane symulacje długie, pozwoliły na wstępne określenie obszarów parametrów, gdzie z większym prawdopodobieństwem występuje dany typ rzeki. Do zaklasyfikowania rzek posłużono się dwoma metodami bazującymi na: (1) czasowych i przestrzennych zmianach w rzece, (2) wartości współczynnika roztokowania. Wiele rzek uzyskanych w długich symulacjach, klasyfikowanych zarówno jedną jak i drugą metodą, stanowią rzeki przejściowe. Porównanie z publikacjami wykazało, że metoda pierwsza daje wyniki bardziej zbliżone do terenowej klasyfikacji, podczas gdy metoda druga momentami daje wyniki odbiegające od oczekiwań. Wyniki pozwoliły na wyciągnięcie wniosków dotyczących ulepszenia zasad klasyfikacji rzek. Wskazano na potrzebę pełniejszego uwzględnienia ewolucji rzeki w ogólnej klasyfikacji, a zwłaszcza doprecyzowanie skali czasu i długości rozpatrywanego odcinka rzeki. Podjęto próbę określenia tych skal (czasu i długości), bazując na parametrach użytych w modelu.Podsumowując, niniejsza praca pogłębia zrozumienie procesów kształtujących powierzchnię Tytana, wskazuje na podobieństwa i różnice w ewolucji rzek na Tytanie i Ziemi, podejmuje próbę wypunktowania wad istniejących dotąd klasyfikacji rzek oraz sugeruje sposoby usunięcia wad.


Cofnij