ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 540-552
УДК 550.388.2.550.385.3
ПРОЯВЛЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПРИЛИВОВ И ПЛАНЕТАРНЫХ ВОЛН В ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЯХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
© 2014 г. Б. Г. Шпынев1, А. В. Ойнац1, В. П. Лебедев1, М. А. Черниговская1, И. И. Орлов!1, А. Ю. Белинская2, О. М. Грехов2
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 2Алтае-Саянский филиал Геофизической службы СО РАН, г. Новосибирск e-mail: shpynev@is7f.irk.ru Поступила в редакцию 21.11.2011 г. После доработки 12.02.2014 г.
В работе исследованы долговременные вариации параметров верхней атмосферы Земли и параметров геофизической активности на основе текущих спектров. Рассмотрены основные источники квазипериодических колебаний в атмосфере, включая вариации солнечного излучения, геомагнитной активности и силы тяжести. Показано, что наиболее устойчивые квазигармонические вариации связаны с приливными гравитационными колебаниями и планетарными волнами Россби, которые имеют устойчивый спектральный состав. Эти колебательные процессы вносят существенный вклад в динамику средней и верхней атмосферы, а также проявляются в ионосферных параметрах.
DOI: 10.7868/S0016794014040166
1. ВВЕДЕНИЕ
Верхняя атмосфера Земли является сложной динамической системой, источниками волновой возмущенности которой являются изменения интенсивности солнечной радиации, солнечного ветра, геомагнитной активности, а также приливные вариации силы тяжести. Внутренние гравитационные волны (ВГВ), как правило, обусловлены воздействиями на атмосферу снизу, и они активно изучаются в течение многих десятилетий [Hocke and Schlegel, 1996]. Различные источники, действующие в нижней и средней атмосфере (сейсмические события, метеорологические фронты, геострофические и струйные течения, прохождение солнечного терминатора, стратосферные потепления, антропогенные воздействия и т.п.), возбуждают широкий пространственно-временной спектр ВГВ. Хотя на средних широтах системы сильных зональных ветров в стратосфере препятствуют проникновению ВГВ из тропосферы в верхнюю атмосферу (мезосферу и термосферу), часть их энергии достигает верхней атмосферы, где эти возмущения регистрируются радиофизическими и оптическими методами в активных или пассивных экспериментах. Амплитуда внутренних волн в мезосфере и ионосфере относительно мала, однако наземные средства радиофизической диагностики в этой области позволяют исследовать их с высокой точностью, поскольку на этих высотах присутствует ионизованный газ, являющийся индикатором атмосферной динамики.
Квазипериодические возмущения параметров нейтральной атмосферы, имеющие периоды 1— 30 сут, традиционно описываются планетарными волнами Россби [Rossby, 1939; Монин, 1978]. Источником этих волн являются процессы глобального перераспределения энергии геострофических течений в атмосфере Земли, а их период определяется собственными частотами колебаний атмосферы и океана. Медленные вариации параметров атмосферы с близкими периодами происходят также вследствие вариаций приливного гравитационного воздействия, которое является не самым мощным, однако регулярным и детерминированным процессом, т.е. амплитуда и фаза приливов могут быть точно рассчитаны. Даже при относительно слабом, по сравнению с солнечным излучением или с планетарными волнами, воздействии на земную атмосферу, гравитационные силы могут существенно влиять на происходящие здесь процессы. Сложные дисперсионные соотношения для внутренних волн разных масштабов приводят к избирательности прохождения волновых возмущений через разные области верхней атмосферы. Это часто приводит к критическому усилению [Liu and Roble, 2002] планетарных волн, к смене знака зонального потока в средней атмосфере и к таким процессам, как аномальная циклоническая активность в тропосфере и зимние внезапные стратосферные потепления (ВСП).
Исследование ВСП привело к пониманию того, что резонансные процессы являются важным
фактором, инициирующим изменение циркуляции и задающим периодичность этих глобальных осцилляций [Liu and Roble, 2002; Doudy et al., 2004; Siskind et al., 2005; Azim et al., 2005], причем эти изменения проявляются в динамике разных областей верхней атмосферы. Высокая концентрация откликов на стратосферные потепления в азиатском регионе России связана с особенностями глобальной зимней циркуляции в тропосфере северного полушария, которые определяются притоком тепла с Гольфстримом в Европу и развитием сибирского антициклона в Азии. В этой связи данные экспериментальных установок диагностики верхней атмосферы в сибирском регионе представляют особый интерес, так как позволяют изучать механизм передачи волновой энергии между разными областями верхней атмосферы.
Задача исследования медленных (с периодами более суток) вариаций параметров верхней атмосферы сложна тем, что часто эти процессы маскируются мощным воздействием магнитосферных возмущений, которые могут изменять фазу собственных колебаний атмосферы, меняя распределение колебаний по частотам. Колебания могут неожиданно прерываться, возобновляться в произвольное время и в произвольном месте и часто существуют в виде коротких цугов, составляющих единицы периодов. Такое свойство длинно-периодных вариаций затрудняет применение для их анализа классического преобразования Фурье, с помощью которого можно оценить только средние частотные характеристики рассматриваемой системы.
В настоящей работе проводится исследование квазипериодических вариаций параметров атмосферы на основе технологии текущих спектров [Орлов, 2009], в которой проблемы ограниченной длины цугов являются менее критичными.
Для исследования долговременной динамики параметров средней и верхней атмосферы Земли в работе используются данные геофизических обсерваторий сибирского региона и данные спутникового зондирования. Для оценки влияния солнечной активности на долговременную динамику параметров атмосферы исследуются вариации гелио-геомагнитных индексов. Данные измерений рассматриваются на предмет связи вариаций разных параметров с крупномасштабными волновыми процессами, происходящими в системе Солнце—Земля.
2. ТЕКУЩИЕ СПЕКТРЫ
Термин "текущий спектр" впервые был введен в работе Рытов [1946] в связи с рассмотрением некоторых "парадоксов" в спектральном анализе. Более подробное обсуждение понятия текущего спектра содержится в небольшой монографии [Харкевич, 1962]. В данной работе под текущим спектром по-
нимается объект, введенный в работе [Орлов, 2009] и отличающийся от предыдущих работ наличием дополнительного множителя ехр(г'ю г)
г
и((,<а) = 1 | ^-ТЧт¥т. (!)
—да
В таком виде функция (1) оказывается аналитической в верхней полуплоскости ю, поэтому объект (1) лучше называть аналитическим текущим спектром. Как показано в работах [Орлов и Ильин, 2000; Орлов, 2009], понятие текущего спектра возникает естественным образом из определения интеграла Дюамеля на основании учета общих физических принципов: линейности, однородности временной оси и причинности.
В отличие от текущего спектра [Рытов, 1946] и [Харкевич, 1962], двухпараметрическая анализирующая функция которого описывает формирование спектра со временем, текущий спектр (1) позволяет определить не только спектральный состав, но и локальные временные координаты, при которых появляются те или иные анализируемые частоты (периоды). Возможности методики, основанной на использовании текущего спектра (1), показаны в работе [Орлов, 2009] на примерах анализа модельных временных рядов с известными свойствами.
Для удобства практического применения текущего спектра (1) при анализе экспериментальных данных нами используется запись текущего спектра в виде
г
и(,<») = [ в1№('—т)—а(г—т)«(т)т. (2)
—да
В данном случае используется эффективная комплексная частота ш = ю + га, где параметр а определяет экспоненциальную "забывчивость" колебательной системы к происходившим ранее процессам. Параметр а выбирается опытным путем для каждого частотного интервала, а нормировка 1/а делает относительный вклад разных гармоник сопоставимым.
На рисунке 1 показан пример сигнала и его текущего спектра. Сигнал представляет собой синусоиду с частотой 1 Гц с огибающей в виде "гауссианы", полуширина которой составляет 2.5 с (рис. 1а). На рисунке 1б текущий спектр рассчитан при а = 0.5, что соответствует временному интервалу А г ~ 6 с, а на рисунке 1в — при а = 0.1 для А г ~ 31 с. При а = 0.1 линия в спектре, соответствующая синусоиде, более узкая по частоте, чем для а = 0.5, но "размазанная" по времени, что затрудняет временную локализацию периодического процесса. Текущему спектру можно дать такую интерпретацию: при возникновении гармоники текущий спектр представляет собой широкополосный про-
1.00 0.75 0.50 0.25
0
0.25 0.50 0.75 1.00
0
f Гц
10
15
б
20
25
30 t, c
10
15
20
25
30 t, c
2.0
1.5
1.0
0.5
f, Гц
U(t, 2f
- i i i i
0 5 10 15 20 25 30
с
Рис. 1. Сигнал (а) и его текущий спектр при а = 0.5 (б) и при а = 0.1 (в).
цесс, диапазон частот которого определяется величиной а. По мере дальнейшего интегрирования в спектре проявляется основная частота колебаний.
Параметр а подбирается так, чтобы на временном интервале, дающем вклад в текущий спектр вблизи текущего момента времени, укладывалось не менее пяти длин волн искомого периодического процесса (аЛ? ~ п). При анализе текущих спектров вертикальные полосы мы будем связывать с началом процесса, частота которого может быть определена по истечении нескольких периодов, соответствующих данной частоте.
3. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ
В литературе традиционно рассматривается несколько механизмов возбуждения длиннопе-риодных вариаций параметров атмосферы и океана [Hocke and Schlegel, 1996; Rossby, 1939; Мо-лоденский, 1953; Lindzen, 1990], основными из которых являются циклические вариации солнечной активности, приливные вариации силы тяжести и собственные колебательные моды атмосферы и океана, проявляющиеся как планетарные волны Россби.
Первый источник возмущений, который будет рассматриваться в работе, это поток солнечного излучения, интенсивность которого в ультрафио
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.