УДК 551.796;534.2,534-6
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ВЕТРА В СТРАТОСФЕРЕ И НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЕ ПО ИНФРАЗВУКОВЫМ СИГНАЛАМ В ОБЛАСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ТЕНИ
© 2015 г. И. П. Чунчузов*, С. Н. Куличков*, О. Е. Попов*, В. Г. Перепелкин*, А. П. Васильев*,
А. И. Глушков*, П. П. Фирстов**
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mails: igor.chunchuzov@gmail.com, snk@ifaran.ru **Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006Петропавловск-Камчатский, Бульвар Пийпа 9 Поступила в редакцию 18.10.2013 г., после доработки 24.01.2014 г.
Приводятся результаты зондирования тонкой слоистой структуры поля скорости ветра в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере с использованием инфразвуковых волн от наземных взрывов и вулканических извержений. Эти результаты получены с помощью нового метода акустического зондирования атмосферы, основанного на явлении рассеяния инфразвука от анизотропных не-однородностей скорости ветра и температуры в область акустической тени. Метод позволяет получать данные о вертикальной структуре скорости ветра и ее временной изменчивости на высотах нижней термосферы, слабодоступных для других дистанционных методов зондирования атмосферы, включая метеорные (высоты до 105 км) и спутниковые измерения.
Ключевые слова: инфразвуковые волны, тонкая слоистая структура, зондирование.
DOI: 10.7868/S0002351514060066
1. ВВЕДЕНИЕ
Акустический метод зондирования атмосферы с помощью взрывов, основанный на полном внутреннем отражении звука от неоднородной атмосферы, уже давно используется для исследования структуры и динамики атмосферы [1, 2]. Именно с помощью этого метода в начале прошлого века был обнаружен рост температуры и скорости звука с высотой в слое верхней стратосферы [1], а позже восстановлен вертикальный профиль скорости звука в этом слое [3]. Измерение временных вариаций азимутов и времен прихода инфразвуковой волны в атмосферных звуковых волноводах в настоящее время используется для непрерывного мониторинга вариаций скорости ветра в слое стратосферы и нижней термосферы [4—6]. При этом используется специальная процедура восстановления крупносмасштабных (по отношению к длине акустической волны) вертикальных вариаций скорости ветра, основанная на сопоставлении измеренных параметров акустических сигналов с их расчетными параметрами, вычисленными в приближении геометрической акустики [6].
Для восстановления тонкой вертикальной структуры скорости ветра, масштабы которой сопоставимы с длинами инфразвуковых волн, было предложено использовать явление частичных отражений звука от слоистых неоднородностей атмосферы [7]. Аналитическая связь между параметрами тонкой структуры и характеристиками отраженного акустического сигнала была найдена в работах [8, 9]. Именно на этой связи и основан предлагаемый нами метод акустического зондирования атмосферы.
2. МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ
Предлагаемая в статье методика основана на явлении рассеяния акустических импульсов на слоистых неоднородностях скорости ветра и температуры, заполняющих непрерывно всю толщу атмосферы от поверхности земли до высот нижней термосферы около 140 км. Характерные горизонтальные масштабы анизотропных неоднород-ностей атмосферы, составляющих ее тонкую структуру, могут в сотни раз превосходить их вер-
тикальные масштабы. Они эффективно рассеивают звук в зеркальном направлении по отношению к направлению волны, падающей на атмосферный слой, заполненный слоистыми неоднород-ностями [10]. Благодаря такому рассеянию акустическое поле проникает в так называемые зоны акустической тени на земной поверхности, где и обнаруживается экспериментально [7, 11].
Для контроля формы и амплитуды сигнала, генерируемого импульсным источником инфразвука (вулкан или наземный взрыв), один из акустических приемников должен быть установлен на расстоянии от нескольких до десятков километров от источника, чтобы обеспечить прием прямого сигнала, распространяющегося в тропосфере. Другие приемники необходимо располагать на расстояниях от 100 до 250 км от источника, чтобы они находились в пределах зоны акустической тени для стратосферных и термосферных приходов. Такие приходы сигналов надежно идентифицируются в экспериментах по характерным для них горизонтальным скоростям распространения и временным формам сигналов.
Временная задержка между стратосферным и тропосферным приходами на дальние приемники может быть оценена при знании скорости распространения тропосферного прихода от источника к ближнему приемнику. Это позволяет определить горизонтальную скорость распространения стратосферного прихода и оценить соответствующую этому приходу высоту расположения слоя в стратосфере, рассеивающего сигнал в сторону поверхности земли. Аналогично определяется и горизонтальная скорость распространения термо-сферного прихода и соответствующая ему высота расположения рассеивающего слоя атмосферы.
Появление в зоне тени инфразвука, рассеянного тонкой структурой атмосферы, было промоделировано на примере одного из сигналов от вулкана Тунгурахиа (Tungurahia) в Эквадоре [8] высотой около 5 км. Этот сигнал зарегистрирован 15 июля 2006 г. на расстояниях 38 и 250 км от вулкана (см. рис. 1) [4]. На рис. 1 акустические давления сигналов p'(t) в точках приема нормированы на пиковое значение амплитуды сигнала p'max на расстоянии 38 км. На таком расстоянии наблюдался только прямой сигнал, распространявшийся в тропосфере (см. рис. 1а), тогда как на расстоянии 250 км от вулкана антенна из четырех приемников зарегистрировала отражения от стратосферы (str), мезосферы (ms) и нижней термосферы (therm) (см. рис. 1б).
На рис. 2. показаны результаты модельного расчета акустического поля (частота 0.1 Гц) от точечного источника на высоте 5 км над землей, ко-
торые были получены с помощью метода псевдодифференциального параболического уравнения (ППУ) [12]. В первом случае (рис. 2а) расчет проведен для полуэмпирического профиля эффективной скорости звука Ceff0(z), взятого из современной модели атмосферы Ground-to-Space (G2S) [13]. Невозмущенный профиль Ceff0(z) имеет максимальное значение на высоте стратопаузы z = 49 км, которое на 2.5 м/c меньше, чем на высоте кратера вулкана (z0 = 5 км). В этом случае с точки зрения геометрической акустики полного отражения сигнала в стратосфере не происходит. В другом случае (рис. 2б) на профиль G2S накладываются модельные анизотропные неоднородности эффективной скорости звука, обусловленные тонкой слоистой структурой полей скорости ветра и температуры. Благодаря этому поле рассеивается на анизотропных неоднородностях в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере, что приводит к "засвечиванию" зоны акустической тени, формирующейся в отсутствие этих не-однородностей. Этот эффект объясняет эксперименты, в которых сигналы от взрывов и вулканов обнаруживались в зонах акустической тени [7, 8].
Основная идея предлагаемого метода зондирования состоит в том, чтобы в момент времени t0 по формам, амплитудам и временам пробега приходов сигналов, зарегистрированных в зоне тени, восстановить мгновенные вертикальные профили флуктуаций скорости ветра в слоях стратосферы (25—50 км) и нижней термосферы (90—130 км). Извлечь эту информацию позволяет уравнение, полученное в [9], которое связывает форму акустического давления p'(t) в рассеянном сигнале от произвольного слоя атмосферы, содержащего вертикальные флуктуации скорости звука Ac(z) (вызванные флуктуациями температуры A T(z)) и скорости ветра AV(z), с формой вертикального профиля флуктуаций эффективного показателя преломления акустической волны в слое, s(z) ~ — 1 — 2
2(Ac + Аиsin 0Q)c1 cos 0О, и формой падающего сигнала f (t) (рис. 3):
p(t) = -
Pm r0
4Ri
I dzf(t - RilCi - z/a)s'(z), (1)
где рт — максимум акустического давления сигнала вблизи точечного источника, находящегося в точке z0, на расстоянии г0 от него, е'(г) — производная е(г), 0О — угол падения луча на нижнюю границу слоя г = 0, попадающего в приемник в точку z при зеркальном отражении от границы слоя, Д — сумма расстояний в вертикальной
да
Рис. 1. Акустические сигналы от вулкана в Эквадоре (высота 5 км), на расстояниях 38 км (а) и 250 км (б) от него. Акустическое давление р' сигналов нормировано на амплитуду давления р^пах при г = 38 км.
плоскости от источника до точки зеркального отражения луча на границе неоднородного слоя г = 0, и от этой точки до приемника в точке г (см. рис. 3б), с1 — невозмущенная скорость звука, считающаяся постоянной как в слое, так и за его пределами, а = с^(2ео8 0О), А и(г) — проекция А V(z) на направление горизонтального радиуса-вектора, соединяющего источник с приемником. Задача восстановления профиля е(г) с помощью (1) при известных формах рассеянного и падающего сигналов, описываемых функциями /0(?) =
И л
= р'(0/
рт Г0
4Д
и
/ (0 = р'Оо, о/ рт,
во многом анало-
гична задаче восстановления профиля скорости звука в океане [14].
На рис. 3г показана рассчитанная с помощью уравнения (1) форма отраженного сигнала для одной из модельных реализаций профиля е(г) в слое стратопаузы [15] (рис. 3в). Из-за нелинейности распространения акустического сигнала от источника в верхние слои атмосферы форма сигнала искажается, и он трансформируется в ^-волну, поэтому в качестве падающего на слой сигнала /(?) взята ^-волна длительностью Т0 и шириной ударного фронта ?т (рис. 3а). Ее параметры на высоте стратопаузы были рассчитаны с помощью уравнения Бюргерса [9, 16]. Расчетный сигнал на рис. 3в хорошо согласуется по форме, амплитуде и длительности с типичными стратосферными приходами от вулканов [8] и наземных взрывов [17]. Это согласие подтверждает возможность ис-
Рис. 2. Акустическое поле точечного источника звука на частоте 0.1 Гц, (высота 5 км), рассчитанное методом псевдодифференциального параболического уравнения (ППУ) для двух случаев: для профиля эффективной скорости звука 02Б, взятого из современной модели атмосферы Ground-to-Space (а) и при наложении на профиль 02Б модельных не-однородностей эффективной скорости звука (б).
пользования урав
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.