КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 2, с. 141-151
УДК 551.51:551.501
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ МАРСА, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МИССИИ MARS GLOBAL SURVEYOR
© 2015 г. В. Н. Губенко, И. А. Кириллович, А. Г. Павельев
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино
vngubenko@gmail.com Поступила в редакцию 16.05.2014 г.
Разработана оригинальная методика определения характеристик внутренней гравитационной волны (ВГВ) по данным анализа индивидуального вертикального профиля температуры в атмосфере планеты. Методика базируется на анализе относительной волновой амплитуды, определяемой из вертикального профиля температуры, а также на положении линейной теории ВГВ, согласно которому волновая амплитуда ограничивается процессами динамической (сдвиговой) неустойчивости в атмосфере. Предполагается, что когда амплитуда внутренней волны достигает порога сдвиговой неустойчивости по мере распространения волны вверх, диссипация волновой энергии происходит таким образом, что амплитуда ВГВ поддерживается на уровне порога атмосферной неустойчивости. Применение разработанной методики к вертикальным профилям температуры, полученным из ра-диозатменных измерений миссии MGS (Mars Global Surveyor), дало возможность идентифицировать ВГВ в атмосфере Марса и определить величины ключевых волновых параметров, таких как собственная частота, амплитуды вертикальных и горизонтальных возмущений скорости ветра, вертикальная и горизонтальная длина волны, собственная вертикальная и горизонтальная фазовая (и групповая) скорости, кинетическая, потенциальная и полная энергия ВГВ на единицу массы, вертикальные потоки волновой энергии и горизонтального импульса. Идентифицированные в атмосфере Марса ВГВ с вертикальной длиной волны 4.5—8.2 км являются волнами с низкими собственными частотами, близкими к инерционной частоте, а их кинетическая энергия, как правило, на порядок превышает потенциальную энергию. Распространение этих волн вызывает значительную модуляцию стабильности атмосферной стратификации, что приводит к сдвиговой неустойчивости и возникновению тонких слоев перемежающейся турбулентности в атмосфере Марса.
DOI: 10.7868/S0023420615020028
1. ВВЕДЕНИЕ
Волновые процессы оказывают значительное влияние на циркуляцию, химический состав, тепловой режим и изменчивость атмосферы Марса. Они также вносят большой вклад в формирование сезонного водяного цикла в атмосфере планеты. В этом контексте можно отметить работы [1—5], в которых были исследованы атмосферные ВГВ, тепловые приливы и планетарные волны. Важная роль внутренних волн, в первую очередь, связана с обеспечением ими эффективного механизма переноса энергии и импульса из нижних уровней атмосферы на верхние. Источником генерации ВГВ в атмосфере могут являться: тепловые контрасты вблизи поверхности, топография, сдвиговая неустойчивость ветра, конвекция и фронтальные процессы. В атмосфере Земли, в отсутствие диссипации энергии, амплитуда волновых возмущений скорости ветра или температуры растет примерно экспоненциально с увеличением высоты и поэтому возмущения с малой амплитудой вблизи поверхности могут производить значительные эффекты на больших высотах, где
происходит обрушение волн и передача волновой энергии и импульса в невозмущенный поток. Поскольку ВГВ являются характерной особенностью устойчиво стратифицированной атмосферы, то аналогичные эффекты можно ожидать и в атмосфере Марса. Полагают, что внутренние волны могут играть более важную роль в формировании циркуляции, теплового режима и структуры атмосферы на Марсе, чем на Земле, так как во многих случаях амплитуды ВГВ в атмосфере Марса оказываются существенно больше своих земных аналогов [2]. Интерпретация наблюдений флуктуаций скорости ветра, температуры или плотности в атмосфере нередко основывается на модели широкого спектра волн, порождающих эти флуктуации. Спектральное описание подразумевает, что волновое поле флуктуаций состоит из многих компонент с различными масштабами. Во многих случаях экспериментальные спектры флуктуаций температуры, плотности или скорости ветра в атмосфере демонстрируют на фоне гладкого спектра узкие пики, которые указывают на квазипериодическую структуру возмущений в
некотором диапазоне высот. Результаты прямых зондовых измерений в стратосфере Земли свидетельствуют о том, что формирование такой структуры может быть обусловлено распространением монохроматической волны, которая находится в состоянии насыщения вследствие сдвиговой неустойчивости в атмосфере [6, 7].
Зондирование ВГВ любыми способами сталкивается с проблемой, суть которой состоит в том, что измеряемыми являются параметры возмущенного состояния атмосферы, например, скорость ветра, температура или плотность, и из этого измерения необходимо определить, какая часть "сигнала" обусловлена ВГВ. Общий подход здесь заключается в том, чтобы отделить мелкомасштабные вариации от медленных изменений невозмущенного состояния и считать эти вариации связанными с волновыми проявлениями. Подходы, использующие какие-либо разделения масштабов, должны учитывать, что не все мелкомасштабные вариации в атмосфере обусловлены ВГВ и не все внутренние волны имеют малые масштабы. Анализируемые вариации могут быть связаны не только с влиянием ВГВ, но также и с влиянием регулярных тонких слоев и/или турбулентности в атмосфере. Для корректной интерпретации результатов измерений необходимо иметь физически обоснованные критерии идентификации каждого фактора, потенциально влияющего на результаты измерений. Преимуществом радиозатменных измерений с целью изучения внутренних волн в атмосфере является широкий географический и временной охват исследуемых районов, позволяющий проводить глобальный мониторинг волновой активности в атмосфере планеты. До настоящего времени полагали, что с помощью радиозатменных измерений невозможно оценить такие волновые параметры как собственная частота ВГВ или фазовые скорости, которые необходимы для количественного описания волновых эффектов, поскольку ранее считалось, что для этого недостаточно восстанавливаемых вертикальных профилей температуры и плотности в атмосфере. Нами разработана новая методика, которая может быть использована для идентификации ВГВ и определения их параметров из данных о вертикальном профиле температуры или плотности в атмосфере планеты, не требующая какой-либо дополнительной информации, которая не содержалась бы в профиле [8—10]. Применение этой методики к ради-озатменным данным дает возможность изучить волновую активность в атмосфере планеты в глобальном масштабе и определить ключевые параметры ВГВ, такие как собственная частота, горизонтальная и вертикальная длина волны, амплитуды горизонтальных и вертикальных возмущений скорости ветра, плотности кинетической, потенциальной и полной энергии, верти-
кальные потоки волновой энергии и импульса. Результаты мониторинга волновой активности могут быть полезными при построении численных моделей циркуляции атмосферы, включающих параметризацию волновых эффектов. Одна из главных проблем параметризации эффектов ВГВ состоит в необходимости задания глобального распределения характеристик волновой активности на нижней границе в области верхней тропосферы—нижней стратосферы. В большинстве численных моделей циркуляции параметры ВГВ на нижней границе задаются одинаковыми на всех широтах и долготах. Экспериментальное определение и анализ географических и временных распределений характеристик ВГВ является необходимым и важным этапом при построении адекватных моделей общей циркуляции атмосферы. Целью настоящей работы является изложение методики идентификации волновых событий и определения параметров ВГВ на основе анализа вертикальных профилей температуры в атмосфере планеты, демонстрация примеров практического применения методики к температурным данным миссии MGS в атмосфере Марса и обсуждение полученных результатов.
2. МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ
ВНУТРЕННИХ ВОЛН И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ОСНОВЕ
АНАЛИЗА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ В АТМОСФЕРЕ МАРСА
Для исследования волновой активности в атмосфере Марса предлагается использовать оригинальный метод анализа индивидуальных вертикальных профилей температуры для идентификации волновых процессов и реконструкции характеристик ВГВ в атмосфере планеты. Этот метод является универсальным в том смысле, что его можно применять для анализа вертикальных профилей, полученных любыми способами, как в атмосфере Земли, так и в атмосфере Венеры или Марса. Ранее мы использовали данный метод для анализа радиозатменных данных о температуре с целью идентификации волновых событий и реконструкции параметров ВГВ в стратосфере Земли [8—10]. Прежде чем перейти к изложению содержания методики, кратко рассмотрим базовые соотношения линейной теории волн в атмосфере Марса. Дисперсионное соотношение для ВГВ, в предположении, что f < ю2 < < N2 и k¡ < m2 и 1/(4 H2) < m2, имеет вид [7, 8]:
ю2/k¡ = N Vm2 • (1 - f Vю2)-1, (1)
где H = 10.9 км — приведенная высота однородной атмосферы Марса, f — инерционная частота (параметр Кориолиса). Инерционная частота f определяется выражением f = 2Q.sinф, где Q = 7.11 х
х 10~5 рад/с — угловая скорость вращения планеты вокруг своей оси и ф — широта. "Собственная" частота ю является той частотой ВГВ, которую регистрирует наблюдатель в системе отсчета, движущейся со скоростью невозмущенного потока. В дальнейшем, термин "собственная" мы будем также относить и к другим волновым характеристикам, определяемым в этой системе отсчета. Дисперсионное соотношение связывает частоту ю с пространственными волновыми характеристиками т и къ (вертикальное и горизонтальное волновые числа, соответственно) и с параметром вертикальной устойчивости атмосферы N (частота плавучести или Вяйсяля—Брента). Для вертикально распространяющихся ВГВ горизонтальное къ и вертикальное т волновые числа являются действительными, а собственная частота ю заключена внутри интервала N > ю > | /\. Дисперсионному уравнению (1) соответствуют два интервала гидростатического волнового режима.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.