ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 553-562
УДК 550.388.2
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ ОТ ИСТОЧНИКОВ АГВ
НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ © 2014 г. И. В. Карпов1, 2, С. П. Кшевецкий1,
1Балтийский федеральный университет им. И. Канта, г. Калининград 2 ЗО ИЗМИРАН, г. Калининград
e-mail: pcizmiran@gazinter.net Поступила в редакцию 15.07.2013 г.
После доработки 14.11.2014 г.
Рассмотрены результаты модельного исследования вертикального распространения акустико-гра-витационных волн (АГВ) от поверхности Земли до высот верхней атмосферы. Численные расчеты выполнены с применением негидростатической модели атмосферы, учитывающей нелинейные и диссипативные процессы, возникающие при вертикальном распространении волн. Модельный источник атмосферных возмущений задан в локализованной области на поверхности Земли. Частотный спектр источника возмущений содержит гармоники в интервале частот 0.5rog—1.5rog (rog — частота Брента—Вяйсяля у поверхности Земли). Результаты расчетов показали, что вследствие распространения и диссипации АГВ над источником на высотах ~200 км формируется область крупномасштабных пространственных возмущений среднего состояния верхней атмосферы. Возникновение этой области существенно влияет на распространение АГВ и приводит к волноводному распространению АГВ, с периодами меньше периода Вяйсяля —Брента на высоте возмущенной атмосферы. Диссипация АГВ, распространяющихся в таком волноводе, приводит к расширению его горизонтальных пространственных масштабов. Протяженность области возмущения среднего состояния верхней атмосферы и, следовательно, длина волновода может достигать ~1000 км при длительности работы наземного источника АГВ ~ 1 ч. Физический механизм формирования крупномасштабных возмущений в верхней атмосфере, основанный на процессах распространения и диссипации АГВ с периодами меньше периода Вяйсяля—Брента в верхней атмосфере, объясняет их быстрое возникновение и локализацию над источниками АГВ, расположенными на поверхности Земли или в нижней атмосфере.
DOI: 10.7868/S001679401404018X
1. ВВЕДЕНИЕ
Акустико-гравитационные волны (АГВ) выполняют важную роль в осуществлении динамических связей процессов в нижней атмосфере с процессами в верхней атмосфере и ионосфере. Источниками возбуждения АГВ на высотах нижней атмосферы могут быть динамические процессы в приземных слоях атмосферы, например, метеорологические процессы (ураганы, погодные фронты, орографические явления), комплексы физических процессов, связанных с проявлением сейсмической или вулканической активности и т.д. Эффекты таких событий в верхней атмосфере и ионосфере выявлены в многочисленных экспериментальных исследованиях. В работе [Ьа^оу-кИка, 2006] приведен обзор морфологии ионосферных эффектов, обусловленных волнами, распространяющимися из нижней атмосферы. Объяснение механизмов формирования возмущений верхней атмосферы и ионосферы вследствие динамических процессов в нижней атмосфере основывается, как правило, на представле-
нии о вертикальном распространении АГВ и их непосредственном воздействии на параметры среды или диссипации на высотах верхней атмосферы. Как известно, скорость вертикального распространения внутренних гравитационных волн (ВГВ) зависит от частоты и падает с ее уменьшением. Вследствие этого, низкочастотные крупномасштабные волны, например, планетарные волны с периодами в несколько суток, не могут непосредственно достичь высот верхней атмосферы и ионосферы за время, сопоставимое с периодом волны [Fritts and Alexander, 2003]. Вместе с тем, в экспериментальных исследованиях выявлены ионосферные эффекты стратосферных возмущений [Hoffmann et al., 2012; Goncharenko et al., 2010]. При этом временные задержки между стратосферными, мезосферными и ионосферными возмущениями весьма незначительны в сравнении с периодом возмущения. В работе [Panche-va et al., 2008] предложена схема формирования эффектов таких событий в верхней атмосфере и ионосфере на основе взаимодействия планетар-
ных и приливных волн. Однако, модуляция атмосферных приливов планетарными волнами не дает объяснения малым временным задержкам в проявлении возмущений.
Важной особенностью ионосферных эффектов, связанных с проявлениями сейсмической активности, является их локализация над эпицен-тральной областью. В работе [Перцев и Шалимов, 1996] рассмотрена задача о распространении среднемасштабных ВГВ, генерируемых в области эпицентра землетрясения на поверхности Земли, в верхнюю атмосферу и оценены их ионосферные эффекты. Расчеты показывают, что ионосферные возмущения от таких источников могут быть значительными, однако не позволяют объяснить локализацию ионосферных возмущений над эпицентром землетрясения.
Вообще говоря, участие АГВ в осуществлении взаимосвязи процессов в нижней и верхней атмосфере не вызывает сомнений. Однако, такие особенности реакции верхней атмосферы и ионосферы, как скорость проникновения возмущений в верхнюю атмосферу и локализация над источниками возмущений в нижних слоях атмосферы, не имеют пока удовлетворительной физической интерпретации. Наибольший интерес для объяснения этих особенностей представляют мелкомасштабные ВГВ (периоды близки периоду Вяй-сяля—Брента) и звуковые волны, которые могут распространяться практически вертикально и достаточно быстро достигать высот верхней атмосферы. Теоретические исследования распространения инфразвуковых волн также указывают на возможность участия таких волн в реализации связей нижних и верхних атмосферных слоев [Hickey et al., 2001; Drobzheva and Krasnov, 2003]. Естественно полагать, что малые временные задержки в проявлении возмущений в различных атмосферных слоях, а также локализация возмущений над источниками в нижней атмосфере, должны объясняться с привлечением мелкомасштабных ВГВ и инфразвуковых волн. В теоретических исследованиях процессов вертикального распространения ВГВ, как правило, оценивают влияние таких волн на верхнюю атмосферу через расчет дополнительных потоков энергии и импульса, сообщаемого среде [Кшевецкий и Гаври-лов, 2003; Kshevetskii and Gavrilov, 2005; Hoffmann et al., 2012]. При этом неявно используется предположение о постоянстве работы источника возмущения в нижней атмосфере. В реальных условиях источники возмущений в нижней атмосфере нестационарные и генерируют широкий спектр волн. Модельные исследования, демонстрирующие роль мелкомасштабных ВГВ в термосфере на примере изучения механизмов формирования атмосферных возмущений в области солнечного терминатора [Карпов и Бессараб, 2008] и механизмов формирования ионосферных предвест-
ников землетрясений [Клименко и др., 2011], показывают высокую эффективность волн этого частотного диапазона и важность учета нестационарного характера источников их генерации. Вместе с тем, в этих работах не обсуждается вопрос о возможности распространения мелкомасштабных АГВ из нижней атмосферы в верхнюю.
Цель данной работы состоит в исследовании влияния мелкомасштабных АГВ, распространяющихся от поверхности Земли, в процессах формирования крупномасштабных возмущений в верхней атмосфере и оценке реалистичности сценариев развития таких возмущений вследствие динамических процессов на поверхности Земли или в нижних слоях атмосферы.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе рассматривается модельная задача о распространении от поверхности Земли локализованного по частотам пакета акустико-гравита-ционных волн с периодами близкими к периоду Вяйсяля—Брента у поверхности. В расчетах применена двумерная негидростатическая численная модель распространения АГВ, основанная на решении гидродинамических уравнений для волновых возмущений и учитывающая нелинейные и диссипативные процессы при распространении волн, а также взаимодействие между ними [Кшевецкий и Гаврилов, 2003]. Уравнения модели имеют следующий вид:
дР , д , д п — + — pu +—pw = 0,
dt дх dz
д , д 2 , д дР — pu +—pu +—puw =---
дt дх дz дх
nAu,
(1)
д д д 2 д Р —pw +--рык +--pw =---pg +
д1 дх дг дг
др ^Т + ^Ты + ^Тк = д1 ц дх ц дг Ц
= -Р[ды + V МТ,
Чдх дг)
Р = рЯТ,
ц
где р — плотность; ы, к — компоненты скорости вдоль осей х, г; t — время; Р — давление; Т — температура; ц — молекулярный вес; сг — теплоемкость; g — ускорение свободного падения; г|, к — коэффициенты вязкости и теплопроводности, учитывающие молекулярный и турбулентный вклады.
В качестве начального фонового состояния атмосферы использованы данные эмпирической модели MSIS-90 для условий января. Уравнения решаются конечно-разностными методами с
применением явных и неявных схем. Алгоритм интегрирования уравнений описан в работах [КзЬеуе18ки, 2001 а, Ь].
В качестве модельного источника волновых возмущений задано возмущение давления на поверхности Земли в области протяженностью ~20 км (точечный источник). Изменчивость источника возмущений во времени описывается суперпозицией десяти гармонических функций с
периодами от 0.5ю ^ до 1.5ю ^, где ю^ = —
частота Вяйсяля—Брента на поверхности Земли ^ — ускорение силы тяжести, Н — высота однородной
атмосферы), ю, = — + ——1Ю , / = 1,2,...10. Пери' 2 10 оды гармоник находятся в интервале от 3 до 10 мин для рассматриваемых условий. Амплитуда возмущения температуры составляет ~3% от невозмущенного значения температуры. Решения системы (1) получены для двух вариантов работы источника возмущений — непрерывного и импульсного. В первом варианте предполагается определить спектральный состав возмущений параметров верхней атмосферы в режиме установления, а во втором оценить динамику возмущений и эволюцию спектра при импульсной работе источника.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На рисунке 1 показаны пространственные распределения волновых возмущений температуры (рис. 1а) и средней температуры (рис. 1б), из-за диссипации волн, для нескольких моментов времени после начала непрерывной работы наземного источника. Как видно из рисунка, волновые возмущения уже через 0.5 ч отмечаются на всех высотах атмосферы непосредственно над источником и достигают высот ~300 км на расстояниях ~500 км в горизонтальном направлении от него. Через 1—2 ч посл
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.