Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Акустико-гравитационные волны в атмосфере земли 11
1.1 Литосферно-ионосферное взаимодействие 11
1.1.1 Отклик ионосферы на воздействия различной природы 11
1.1.2 Акустико-гравитационная гипотеза подготовки землетрясений 12
1.2 Внутренние гравитационные волны как часть динамики атмосферы 14
1.3 Теория распространения акустико-гравитационных волн в атмосфере 19
1.4 Экспериментальные исследования гравитационных волн и связанных с ними перемещающихся ионосферных возмущений 29
1.5 Ионосферные волновые возмущения от наземных источников 33
1.6 Источники возмущений в атмосфере и моделирование генерации акустико-гравитационных волн 41
ГЛАВА 2. Численная модель распространения и генерации волн 47
2.1 Система нелинейных уравнений геофизической гидродинамики, описывающих генерацию и распространение волн 47
2.2 Метод численного решения системы уравнений и особенности решаемой задачи 54
2.3 Представление различных источников в модели и особенности моделируемых ими природных явлений 58
ГЛАВА 3. Моделирование возмущений для различных характеристик фоновой атмосферы 67
3.1 Апробация модели в однородной одномерной и двумерной атмосфере и на простейших импульсных источниках 67
3.2 Основные закономерности распространения акустико-гравитационных волн от поверхностного источника в атмосфере с реальными фоновыми характеристиками 72
3.3 Исследование влияния глубины и ширины мезопаузы температурного профиля на характеристики АГВ 81
3.4 Краткое содержание главы. Основные выводы 85
ГЛАВА 4. Моделирование возмущений атмосферы для различных параметров поверхностных источников 86
4.1 Основные закономерности изменения характеристик возмущения для различных периодов источника 86
4.2 Основные закономерности изменения характеристик возмущения для различных амплитуд и пространственных масштабов источника 99
4.3 Краткое содержание главы. Основные выводы 105
ГЛАВА 5. Моделирование возмущений атмосферы для различных видов поверхностных источников ... 106
5.1 Моделирование АГВ для землетрясений, взрывов и крупномасштабных длиннопериодных колебаний земной поверхности 106
5.2 Моделирование АГВ для длиннопериодных колебаний водной Поверхности ПО
5.3 Моделирование АГВ в случае температурного нагрева земной поверхности 118
5.4 Моделирование АГВ в атмосфере при прохождении волны цунами в открытом океане и на берегу : 123
5.5 Краткое содержание главы. Основные выводы 130
Заключение 131
Список литературы 133
- Экспериментальные исследования гравитационных волн и связанных с ними перемещающихся ионосферных возмущений
- Представление различных источников в модели и особенности моделируемых ими природных явлений
- Исследование влияния глубины и ширины мезопаузы температурного профиля на характеристики АГВ
- Основные закономерности изменения характеристик возмущения для различных амплитуд и пространственных масштабов источника
Введение к работе
Актуальность. Процессы, происходящие в атмосфере нашей планеты, оказывают существенное влияние на жизнедеятельность человека. Однако если в нижней атмосфере разнообразные погодные и климатические явления исследуются уже достаточно длительное время, то к процессам, происходящим в верхней атмосфере, обратились относительно недавно, хотя их влияние на человеческую деятельность может быть не менее значительно. Так наблюдаемые в верхней атмосфере магнитные бури оказывают воздействие на функционирование космических и наземных технологических систем, а на распространение радиоволн существенно влияют параметры ионосферы. В свою очередь, динамические процессы естественного и искусственного происхождения, развивающиеся на Земле и в нижней атмосфере, могут изменять структуру и динамику явлений верхней атмосферы.
Таким образом, земная атмосфера и ионосфера является чувствительным индикатором воздействия от разного рода природных и антропогенных поверхностных источников. К этим источникам относятся, прежде всего, землетрясения, вулканы, сильные подземные и наземные взрывы, волны цунами и др. Основным механизмом распространения возмущения от таких источников в верхнюю атмосферу являются акустико-гравитационные волны (АГВ). Из-за резкого спадания плотности атмосферы с высотой, эти волны по мере распространения вверх усиливаются по амплитуде и приводят к сильным возмущениям в верхней атмосфере.
Анализ и изучение отклика атмосферы на различные антропогенные и природные поверхностные источники имеет большое значение для развития физики атмосферы [1-3]. Ряд теоретических и экспериментальных задач, связанных с АГВ, был рассмотрен в циклах работ [4-6]. Кроме того, в последнее время активно ведутся исследования по изучению АГВ, которые иногда регистрируются до и после землетрясений [7-8].
В последние годы резкое увеличение возможностей современных компьютеров и развитие численных методов вычислительной гидродинамики открыли новые возможности в исследовании физики атмосферы, такие как изучение генерации и распространения атмосферных волн с помощью численного решения нелинейных уравнений геофизической гидродинамики. Представленная работа посвящена моделированию генерации и распространения АГВ в верхней атмосфере, генерированных наземными поверхностными источниками разнообразной природы.
Цели работы:
Усовершенствование численного метода и алгоритма решения двумерной задачи генерации АГВ в верхней атмосфере и включение поверхностных источников разнообразной природы в модель.
Моделирование генерации и распространения АГВ на больших
пространственных областях для исследуемых типов поверхностных источников,
получение общих закономерностей изменения характеристик возмущения от
параметров источника, сопоставление модельных результатов с
экспериментальными данными.
Задачи работы:
Модернизация и доработка численного метода решения задачи двумерного моделирования генерации и распространения АГВ на большие горизонтальные и вертикальные расстояния на основе системы уравнений с учетом предложенных граничных условий и способов задания различных источников.
Моделирование волнообразных возмущений в верхней атмосфере для различных типов поверхностных источников: длиннопериодные колебания поверхности земли, импульсные колебания поверхности земли во время землетрясений и взрывов, длиннопериодные колебания водной поверхности -сейши, температурный нагрев приземного слоя атмосферы, движение волны цунами.
Моделирование генерации и распространения АГВ для различных характеристик фоновой атмосферы.
Моделирование генерации и распространения АГВ для различных характеристик источника, таких как период, амплитуда, пространственный масштаб, форма импульса.
Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными
Научная новизна результатов:
Усовершенствован численный метод решения двумерной системы уравнений геофизической гидродинамики, на основе которой построена модель распространения АГВ в стратифицированной атмосфере с учетом нелинейных и диссипативных эффектов. Предложены граничные условия и способы задания различных источников в модели, что позволило осуществить моделирование генерации и распространения АГВ на больших пространственных областях и для поверхностных источников разнообразной природы.
Проведено моделирование генерации и распространения возмущений в верхней атмосфере от разного типа поверхностных источников: сильных землетрясений и взрывов, длиннопериодных колебаний земной поверхности,
длиннопериодных колебаний водной поверхности больших масштабов (сейши), температурного нагрева поверхностного слоя атмосферы, волн цунами. Впервые осуществлено моделирование АГВ от таких источников как сейши, температурный нагрев приземного слоя атмосферы, волн цунами в стратифицированной диссипативной атмосфере и установлена принципиальная возможность и условия возбуждения этими источниками АГВ. Получены пространственные распределения возмущений горизонтальной и вертикальной скорости и и w гидродинамических частиц, возмущений температуры Т и плотности />, а также вертикальные, горизонтальные профили и временные зависимости характеристик возмущения.
Впервые получены общие пространственно-временные закономерности изменения характеристик АГВ (отдельно для акустических и внутренних гравитационных волн) в верхней атмосфере в зависимости от параметров поверхностного источника, таких как амплитуда, период, пространственный масштаб и форма импульса. Получены зависимости амплитуды максимального отклика и, w, Т, р в зависимости от высоты для различных горизонтальных расстояний от источника. Построены кривые чувствительности нейтральной атмосферы на различных расстояниях и высотах от источника и для различных периодов источника.
Впервые установлены закономерности изменения периода, амплитуды, длины волны и других характеристик возбуждаемых акустических и внутренних гравитационных волн в зависимости от параметров фоновой атмосферы и расстояния от эпицентра источника.
Научная и практическая ценность работы. После осуществления
модернизации разработанного на кафедре физики атмосферы [9] численного
метода решения задачи генерации и распространения АГВ в
стратифицированной диссипативной атмосфере значительно повысилась численная устойчивость метода, появились новые возможности по расчёту возмущений от длиннопериодных колебательных источников на больших пространственных областях и длительных временных промежутках (до 10 часов). Благодаря совершенствованию численного метода стало возможно моделирование возмущений от наземных источников, где варьируется не только вертикальная колебательная скорость, но и вертикальное смещение и температура. Для различных известных и предполагаемых поверхностных источников возбуждения АГВ в верхней атмосфере были предложены модельные функции задания источника на нижней границе области моделирования. Все это позволило нам впервые промоделировать температурные приповерхностные источники, имитирующие нагрев поверхностного слоя атмосферы, длиннопериодные колебания водной
поверхности, называемые сейшами, а также такое мощное природное явление, как цунами. Полученные численные данные об амплитудах и характеристиках длиннопериодных колебаний земной поверхности могут быть использованы для изучения и идентификации возмущений в ионосфере, наблюдаемых до и после землетрясений. Полученные модельные данные могут также быть использованы для объяснения некоторых предвестников сейсмических явлений и исследования гипотез выхода литосферных газов и генерации инфразвуковых волн в период подготовки землетрясения. Полученные пространственно-временные зависимости характеристик возмущения от параметров источника, а также установленные закономерности между ними могут быть использованы в дальнейшем для постановки и интерпретации экспериментов по наблюдению атмосферных и ионосферных возмущений, генерированных поверхностными источниками разнообразной природы.
Апробация работы. Представленные результаты докладывались на X Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (Москва, 2006), Международном симпозиуме «Атмосферная радиация» МСАР-2006 (Санкт-Петербург, 2006), конференции «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2006) и 36-ой научной ассамблеи COSPAR 2006. По теме диссертации опубликовано 6 работ в отечественных и зарубежных изданиях.
Защищаемые положения:
Модернизированный численный метод решения системы нелинейных уравнений гидродинамики и граничные условия, описывающие распространение АГВ в двумерной сжимаемой диссипативной стратифицированной атмосфере. Способы задания источников в модели и пространственно-временные функции представления поверхностных источников разнообразной природы, описывающие генерацию АГВ в атмосфере.
Общие закономерности распространения двумерных акустических и внутренних гравитационных волн от исследуемых поверхностных источников в верхней атмосфере с фоновым температурным профилем, имеющим мезопаузу. Результаты моделирования пространственных и временных распределений возмущений вертикальной w и горизонтальной и колебательной скорости гидродинамических частиц, плотности/), температуры Тпри прохождении АГВ, генерированных исследуемыми типами поверхностных источников.
Результаты расчетов высотных профилей максимальных по времени значений температуры Т, вертикальной w и горизонтальной и скоростей гидродинамических частиц. Результаты расчетов максимального отклика
нейтральной атмосферы для различных периодов источников и для различных расстояний от источника.
Пространственно-временные закономерности изменения характеристик возмущения в зависимости от периода, амплитуды, формы импульса и пространственного масштаба поверхностного источника
Закономерности изменения периода и амплитуды акустических и внутренних гравитационных волн в зависимости от параметров фоновой атмосферы и расстояния от эпицентра источника.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 143 страницы текста, 55 рисунков, 2 таблицы.
Экспериментальные исследования гравитационных волн и связанных с ними перемещающихся ионосферных возмущений
В последние десятилетия в целях изучения АГВ было осуществлено множество скоординированных ионосферных измерений. Для них были использованы целые сети различных радиотехнических систем, как наземного, так и спутникового базирования (NicoIIs M.J. et al, 2005; Kunitsyn V.E. et al., 1995; Mayer H.G. et al., 1990; Варшавский И.И. и др., 1986 и др.).
С гравитационными волнами, прежде всего, отождествляются такие ионосферные явления, как перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ). Наблюдения за ними началось ещё в 1948 году и впервые было описано в работах (Munro G.H., 1948, 1950). ПИВ представляют собой волнообразные неоднородности области F ионосферы, имеющие достаточно большие пространственные масштабы. Распространение АГВ может приводить к ряду таких ионосферных явлений, таких как формирование спорадического Е слоя и разного рода плазменных неустойчивостей (Госсард и Хук, 1975)
Наблюдения показывают, что ПИВ способны проходить несколько тысяч километров со скоростями порядка сотен километров в час. Считается, что обычно такого рода возмущения возникают на высоких широтах и движутся по направлению к экватору. В связи с тем, что они проходят большие расстояния, можно выдвинуть предположение, что их энергия должна быть замкнута в каком-то горизонтальном объеме типа волновода. Энергия возмущений в основном локализована на высотах около 100 км, но иногда происходит утечка части этой энергии вверх до высот 200-300 км, где могут наблюдаться перемещающиеся возмущения.
Современные исследования показывают, что ПИВ могут наблюдаться в виде неоднородностей электронной плотности в F области атмосферы (Белашов В.Ю., 1990; Kunitsyn V. And Tereshchenko Е., 2003). Данные неоднородности могут перемещаться на горизонтальные расстояния порядка тысяч километров с небольшим затуханием амплитуды. Наблюдаемые периоды ПИВ лежат в диапазоне от 10 минут до нескольких часов, скорости - от 50м/с до нескольких сотен м/с. Горизонтальные и вертикальные длины волн сравнимы по величине и варьируются от 50 до нескольких сотен километров в большинстве случаев. По аналогии с ВГВ выделяют среднемасштабные ПИВ и крупномасштабные.
Наблюдения за ПИВ осуществляются с помощью различных методов радиозондирования. Свойства ионосферных неоднородностей были широко изучены с помощью разнообразных радитехнических средств, включая ионозонды, доплеровские зонды, возвратно-наклонные зонды, радары некогерентного рассеяния, системами спутник-приемник, спутник-спутник и т.д. В последнее десятилетие с помощью радиотомографических методов интенсивно наблюдаются двумерные сечения ПИВ (Куницын, Терещенко, Андреева, 2007; Kunitsyn and Tereshcenko, 2003) (Рис. 1.4.1)
Приведем некоторые характерные результаты экспериментов по наблюдению за ПИВ. Результаты экспериментов, полученных с помощью ионосферных станций в восточной Азии и Австралии, представлены в работе (Носке К., Schlegel К., 1996). Анализ описанных в работе данных позволил определить, во-первых, среднюю скорость распространения широкомасштабных ПИВ, которая составила около 500 м/с. И во-вторых, было установлено, что дневные ПИВ были значительно меньше по амплитуде, чем ночные. Автор (Bowman G.G., 1992) обнаружил широкомасштабные ПИВ с небольшими периодами и высокой скоростью распространения порядка 400 м/с, используя сети ионозондов в Японии и Австралии. Спектральный анализ временных рядов дал периоды ПИВ порядка 17, 19 и 30 минут.
Большинство наблюдаемых ПИВ имели, как правило, периоды от 40 до 210 минут. Данные результаты подтвердили вывод о том, что чем больше период волн, тем дальше они могут распространяться, и тем меньше проявляется их затухание. Коротко-периодные волны значительно ослаблялись на пути от средних широт к низким.
Автор (Oliver et al, 1995) исследовал дисперсионное соотношение для ПИВ с периодами от 60 до 130 минут. Дисперсионное соотношение изменялось в широких пределах от дня ко дню, однако в среднем, горизонтальная фазовая скорость не зависела от периода волны, и составляла порядка 200 м/с. Были проведены исследования значения амплитуды горизонтальной скорости от времени года. Наблюдения показали несколько большее значение скорости в зимний период. Очевидных зависимостей характеристик ПИВ от солнечной и магнитной активностей не было установлено.
В работе (Кащеев Б.Л., Олейников А.Н., 1985) приведены результаты экспериментов по определению характеристик ВГВ/ПИВ на высотах 80-100 км с использованием двух метеорных радиолокационных станций. Установлено, что амплитуда ВГВ увеличивается с высотой, средняя величина амплитуды составила 12-15 м/с, среднее значение зональной составляющей фазовой скорости распространения 70-80 м/с, характерные размеры вертикальной и горизонтальной длин волн 10-20 и 100-800 км соответственно, длительность существования ВГВ составила 2-5 периодов волны, преобладающее, но не доминирующее направление переноса энергии ВГВ снизу вверх.
Результаты наблюдений за атмосферой методом рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях ионосферной плазмы, создаваемых при нагреве ионосферы мощной радиоволной были проведены в работе (Бахметьева Н.В. и др. 2002) (Рис. 1.4.2). Совместный анализ вариаций скорости вертикального движения, температуры и плотности атмосферы показал, что в них одновременно присутствуют колебания с одними и теми же периодами от 5-Ю минут до нескольких часов. Амплитуда этих колебаний составила от 1 до 4 м/с для вертикальной компоненты скорости и 6-20% и 10-30% для температуры и плотности соответственно.
Представление различных источников в модели и особенности моделируемых ими природных явлений
В работе мы исследовали возможность генерации атмосферных возмущений от различных поверхностных источников, которые имели разнообразную природу и широкий диапазон характеристик. Каждый из этих источников имел свой характерный способ задания на границе раздела земля-атмосфера, а также свой диапазон характеристик. Все это позволяло нам с помощью исследуемых источников моделировать реальные природные и антропогенные явления, которые способны генерировать АГВ в верхней атмосфере.
Существует несколько способов описания источника в теоретической модели: включение в уравнения гидродинамики источника массы, энергии и импульса или задание специальных граничных условий. В нашей модели источник представлялся виде пространственно-временной функции задаваемой на нижней границе области моделирования.
При землетрясениях происходят крупные движения вдоль линейных разломов с длинами, которые простираются от десятков до сотен километров. Около эпицентра при неглубоких землетрясениях ускорение движения поверхности значительно больше, чем ускорение силы тяжести в обычное время. Подземные взрывы производят поршенообразные движения земной поверхности прямо над источником. Промышленные взрывы также производят значительные поверхностные движения, так как они находятся близко к поверхности земли. Таким образом, такие импульсные источники, как землетрясения, ядерные испытания, промышленные взрывы производят вертикальные движения твердой поверхности земли, действующие как поршень на локальную атмосферу. В модели считалось что поверхность Земли является плоской, т.к длина возбуждаемых в атмосфере волн мала по сравнению с радиусом Земли (Шалимов, 1998). Кроме того, модель плоской Земли оправдывает себя еще тем, что, на большие горизонтальные расстояния в основном распространяются ВГВ, которые преломляются гравитационным полем.
Чтобы включить эти источники в данную модель, необходимо задавать скорость движения частиц воздуха на высоте поверхности земли в окрестности эпицентра источника. На поверхности земли в вязкой атмосфере скорость движения атмосферы будет равной скорости движения земной поверхности. Отсюда следует необходимость задавать скорость вертикального движения (горизонтальные перемещения не учитываются) твердой поверхности земли над эпицентром импульсного источника в зависимости от координат и времени.
В первом приближении вертикальное смещение поверхности земли для случая длиннопериодных колебаний земной поверхности, подземных взрывов или землетрясений можно представлять в форме функции Гаусса. Ее производной по времени будет скорость движения. Таким образом, источник описывается следующим образом:
Здесь DQ характеризует амплитуду возмущения в единицах длины, параметры, / и хс - время и координата максимального значения скорости соответственно, Dt и Dx Гауссовые масштабы для времени и пространства соответственно. Значения параметров D0, Dt и Dx зависят от магнитуды, глубины очага и доминирующей частоты землетрясения или взрыва. Как показывают наблюдения, для неглубоких землетрясений с магнитудами от 3 до 5 DQ «0.5-2.5 м, Dt«0.05-0.1 сек, Dx&\-5 км [Davies J., Archambeu
С. 1998]. Для ядерных взрывов с магнитудами от 3 до 5 Dt « 0.025-0.05 сек. Упростив уравнение (2.5) и преобразовав амплитуду смещения в амплитуду вертикальной скорости получим представление источника в нашей модели для случая землетрясений и взрывов: здесь, wm - характеризует амплитуду возмущения в единицах скорости вертикального смещения, t0 - момент начала возмущения, Т - период колебания. Причем для землетрясений и взрывов период колебаний Т будет достаточно небольшим и составлять доли секунды Т 1с, а амплитуда колебания wm будет достаточно большой и составлять 1-100 м/с в эпицентре источника. Для длиннопериодных колебаний земной поверхности функция источника может быть представлена в виде w = w„ cos т (2x{tS\ f(x), t0 t t0+nT, (2.7) причем в этом случае период возможных колебаний Т составляет от 10 с до нескольких часов, а амплитуда колебаний wm не превышает 1 м/с. Функция f(x) - выражающая форму импульса , может быть представлена по разному.
Существует ещё один важный случай приземного источника возмущений в верхней атмосфере, к которому начали обращаться в последнее время, это длиннопериодные колебания водной поверхности, называемые сейшами. Сейши представляют собой стоячие волны с большим периодом, возникающие в относительно замкнутых водоемах. Источниками сейш могут быть разнообразные природные явления, такие как приливные движения на поверхности воды, связанные с движениями Луны и Солнца относительно Земли, движения воды в больших озерах и водохранилищах связанные с резким изменением атмосферного давления. Сейши могут возникать и благодаря ветровому нагону воды в определенной части озера или залива. В дальнейшем из-за отражения от границ бассейна воздействие указанных источников приводит к возникновению колебаний водной поверхности под действием силы тяжести по всей площади озера с относительно небольшим затуханием.
Исследование влияния глубины и ширины мезопаузы температурного профиля на характеристики АГВ
Было осуществлено моделирование возмущений атмосферы для различных времен года. При этом были использованы профили фоновой температуры, плотности, молекулярной массы реально стратифицированной атмосферы, взятые из модели MSIS-90 для 4-х сезонов года. Как показали результаты моделирования на общий характер возмущения различия в фоновых профилях, обусловленные временем года, заметного влияния не оказывают. Однако на отдельные характеристики АГВ, такие как период и амплитуда, различия в фоновых профилях, обусловленные временем года, оказывают влияние. Как удалось установить, наибольшее влияние на характеристики АГВ оказывает поведение фоновых профилей температуры и плотности на высотах мезопаузы 80-150 км. На этих высотах находится главный минимум в зависимости температуры от высоты и проявляется излом в высотном профиле плотности.
По результатам экспериментальных исследований известно, что значения амплитуд АГВ в зимний период в целом несколько больше ( 10%), чем в летний (Friedman, 1966). Считается, что это, скорее всего, связано с тем, что летом мезопауза выражена сильнее, чем зимой, и в результате отражения волн от температурных градиентов, часть волн не проходит вверх.
В целях изучения влияния характеристик мезопаузы на АГВ, были промоделированы возмущения для различных фоновых профилей температуры, отличающихся друг от друга «глубиной» мезопаузы, т.е. величиной минимума температуры на высоте мезопаузы. Диапазон варьирования температуры на уровне мезопаузы составлял 150 К, начиная со случая температурного профиля, где минимум температуры на высотах мезопаузы вообще отсутствовал (Т-247 К) и заканчивая случаем с очень глубокой мезопаузой (Т-100 К). Расчёты показали устойчивое уменьшение периода акустических волн и увеличение периода ВГВ с ростом температурного минимума для всех типов исследуемых поверхностных источников (рис. 3.3.1). Так в присутствии выраженной мезопаузы период акустических волн составлял в среднем 170-190 с, период ВГВ 1100-1200 с, в случае отсутствия температурного минимума на высотах 80-120 км период АВ наблюдался в пределах 200-230 с, а ВГВ - 800-950 с.
Что касается амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент скорости частиц возмущения, то в целом наблюдалось несильное, но устойчивое уменьшение амплитуды АВ и ВГВ с увеличением глубины мезопаузы. На высотах 100-120 км численные оценки показали уменьшение амплитуд горизонтальной и вертикальной скорости ВГВ на 0.1-0.01 м/с при увеличении глубины мезопаузы на 3 Кельвина. Данный вывод и количественно и качественно соответствует наблюдаемому в экспериментах летнему уменьшению амплитуды АГВ, по сравнению с зимним периодом, когда мезопауза имеет меньшую глубину (Friedman, 1966).
Аналогичные расчеты в случае изменения «ширины» температурного провала в области мезопаузы показали, что с расширением области минимума температуры по высоте в температурном профиле наблюдается уменьшение периодов как АВ, так и ВГВ (рис. 3.3.2). Характерный профиль температуры (январь, MSIS-90) имеет «ширину» мезопаузы порядка 15-20 км, при увеличении «ширины» мезопаузы на 4 км периоды АВ и ВГВ в среднем падают на 1 % по сравнению со значениями, соответствующими характерному профилю. Амплитуда возмущений, также как и в случае увеличения «глубины» мезопаузы, имеет тенденцию к устойчивому уменьшению с увеличением «ширины» мезопаузы. Было осуществлено моделирование возмущений атмосферы для различных времен года. При этом были использованы профили фоновой температуры, плотности, молекулярной массы реально стратифицированной атмосферы, взятые из модели MSIS-90 для 4-х сезонов года. Как показали результаты моделирования на общий характер возмущения различия в фоновых профилях, обусловленные временем года, заметного влияния не оказывают. Однако на отдельные характеристики АГВ, такие как период и амплитуда, различия в фоновых профилях, обусловленные временем года, оказывают влияние. Как удалось установить, наибольшее влияние на характеристики АГВ оказывает поведение фоновых профилей температуры и плотности на высотах мезопаузы 80-150 км. На этих высотах находится главный минимум в зависимости температуры от высоты и проявляется излом в высотном профиле плотности.
По результатам экспериментальных исследований известно, что значения амплитуд АГВ в зимний период в целом несколько больше ( 10%), чем в летний (Friedman, 1966). Считается, что это, скорее всего, связано с тем, что летом мезопауза выражена сильнее, чем зимой, и в результате отражения волн от температурных градиентов, часть волн не проходит вверх.
В целях изучения влияния характеристик мезопаузы на АГВ, были промоделированы возмущения для различных фоновых профилей температуры, отличающихся друг от друга «глубиной» мезопаузы, т.е. величиной минимума температуры на высоте мезопаузы. Диапазон варьирования температуры на уровне мезопаузы составлял 150 К, начиная со случая температурного профиля, где минимум температуры на высотах мезопаузы вообще отсутствовал (Т-247 К) и заканчивая случаем с очень глубокой мезопаузой (Т-100 К). Расчёты показали устойчивое уменьшение периода акустических волн и увеличение периода ВГВ с ростом температурного минимума для всех типов исследуемых поверхностных источников (рис. 3.3.1). Так в присутствии выраженной мезопаузы период акустических волн составлял в среднем 170-190 с, период ВГВ 1100-1200 с, в случае отсутствия температурного минимума на высотах 80-120 км период АВ наблюдался в пределах 200-230 с, а ВГВ - 800-950 с.
Основные закономерности изменения характеристик возмущения для различных амплитуд и пространственных масштабов источника
Было проанализировано поведение характеристик АГВ с увеличением амплитуды поверхностного источника для некоторых исследуемых типов источников. Моделирование показало, что в диапазоне амплитуд вертикальной скорости wm =0.01-100 м/с источника, моделирующего взрывы и землетрясения, в диапазоне амплитуд Гт=0.1-5К температурного источника, в диапазоне амплитуд от=0.1-3м источника, моделирующего сейши, наблюдается устойчивая тенденция увеличения амплитуд АВ и ВГВ с ростом амплитуды источника. При малых амплитудах источника наблюдался практически линейный рост амплитуд горизонтальной и вертикальной скоростей возмущения, а также температуры и плотности в верхней атмосфере.
На рис. 4.2.1, 4.2.3, 4.2.4 представлены зависимости максимальных амплитуд и и w в зависимости от амплитуды температурного или импульсного источника, моделирующего взрыв, как в области над источником, так и на значительном горизонтальном удалении. С увеличением амплитуды источника, наблюдалась тенденция увеличения амплитуды температуры Т, горизонтальной и вертикальной компонент скорости и и w гидродинамических частиц возмущения.
Особенно значительное увеличение амплитуды наблюдалось в области над источником для вертикальной компоненты скорости, которая является основной для акустических волн (рис. 4.2.4). Нелинейность задачи при увеличении амплитуды проявлялась в ограничении роста амплитуды возмущения при сверх больших амплитудах источника. Для источника типа (2.6) с периодом 1 с из рис. 4.2.4 видно, что почти линейный рост амплитуды прекращается на амплитуде источника wm=30 м/с. Далее при увеличении амплитуды источника рост амплитуды отклика постепенно уменьшается и стабилизируется на уровне w 900-1000 м/с для значений вертикальной скорости возмущения. В отношении других характеристик возмущения наблюдалась аналогичная картина.
Кроме того, при исследовании источника, моделирующего сильный взрыв, амплитуды вертикальной скорости у поверхности земли для которого могли достигать сотен м/с, появлялись сильно нелинейные N-образные волны или ударно-акустические волны (УАВ). Данный тип волн, распространяющий от сильных взрывов конусом вверх от источника был описан, например (Нагорский П.М., 1999). Спектр сигнала в целом не менялся, с увеличением амплитуды источника сохранялась основная частота АВ, соответствующая периоду 170-250 с. Однако при сверх больших амплитудах источника wm 50 м/с появлялась ещё одна составляющая в спектре, соответствующая периоду 50 с (рис. 4.2.5).
К характерным особенностям возмущения для исследуемых типов источников следует отнести эффект незначительного уменьшения горизонтальной длины волны АВ и ВГВ при увеличении амплитуды источника. Так длины волн возбуждаемых АВ над источником при амплитуде источника 1 м/с и 100 м/с отличаются приблизительно на 30-40 км. Различие в длинах волн ВГВ при сильном и слабом источнике, как правило, ещё меньше и составляет не более 10-20 км.
Моделирование также показало, что имеется однозначная зависимость амплитуды возмущения и от пространственного масштаба источника. Как показали расчёты, в целом увеличение пространственного масштаба приводит к росту возмущений температуры, плотности, горизонтальной и вертикальной компонент скоростей частиц на ионосферных высотах. Однако эта зависимость, как правило, намного слабее, чем зависимости амплитуды возмущения от периода источника и от амплитуды источника. Кроме того, практически во всех случаях наблюдалась отчетливая картина «насыщения» амплитуды возмущения при пространственном масштабе источника, как правило, более -200 км (рис. 4.2.2). Данный факт связан, скорее всего, с нелинейностью задачи и, следовательно, с нелинейностью отклика атмосферы для различных пространственных масштабов источника. Указанная особенность проявляется наиболее сильно на больших расстояниях от источника, где распространяются только ВГВ, и, следовательно, можно утверждать о существовании эффекта «насыщения» амплитуды ВГВ при увеличении пространственного масштаба.
При увеличении пространственных масштабов исследуемых типов источников в верхней атмосфере возрастают горизонтальные длины как акустических, так и гравитационных волн. Особенно сильно пространственный масштаб источника влияет на длину волны гравитационных волн. Данный эффект связан напрямую с пространственными размерами источника, так что при увеличении Dx от 20 до 800 км наблюдается пропорциональное не совсем равномерное увеличение горизонтальной длины волны ВГВ. Эффект отчетливо виден на представленных на рис 4.2.6 зависимостях горизонтальной скорости и от горизонтальной координаты для различных пространственных масштабов источника, моделирующего длиннопериодные колебания земной поверхности. Для температурного источника приблизительные сравнительные оценки периодов ВГВ показали, что увеличение пространственного масштаба источника на 100 км приводит к увеличению горизонтальной длины волны гравитационных волн на 150-180 км.
При увеличении пространственного масштаба источник начинает эффективно генерировать в основном ВГВ, а акустические волны либо исчезают вовсе, либо имеют стабильно малые амплитуды (не превышающие, как правило, долей м/с при Дх 200км), по сравнению с гравитационными волнами.
Влияния пространственного масштаба источника на период АВ не наблюдалось. Сильного влияния формы импульса источника на характеристики АГВ отмечено не было.
