Содержание к диссертации
Введение
1 Нестационарная трехмерная модель циркуляции верхней атмосферы 14
1.1 Эмпирические данные и модели термосферы 14
1.2 Исходная система уравнений модели 34
1.3 Методы решения уравнений 37
1.4 Стационарная в системе Солнце-Земля циркуляция термосферы 41
1.4.1 Общая характеристика циркуляции термосферы 41
1.4.2 Зависимость циркуляции от солнечной и геомагнитной активности 47
1.5 Долготные эффекты в термосфере и вариации от мирового Времени 58
1.6 Суточные вариации термосферных ветров и их зависимость от сезона и солнечной активности 65
2 Циркуляция средней атмосферы и распространение планетарных волн 78
2.1 Модели средней атмосферы 78
2.2 Циркуляция средней атмосферы 88
2.3 Модель распространения планетарных волн 90
2.4 Численные эксперименты 97
3 Распространение инфразвука 107
3.1 Аппаратура и методы обработки данных 108
3.2 Расчет траекторий распространения инфразвука 109
3.3 Тропосферное распространение акустических волн 112
3.4 Стратосферное распространение акустических волн 116
Заключение 123
- Стационарная в системе Солнце-Земля циркуляция термосферы
- Долготные эффекты в термосфере и вариации от мирового Времени
- Модель распространения планетарных волн
- Расчет траекторий распространения инфразвука
Введение к работе
Объектом исследований являются крупномасштабные динамические процессы в средней и верхней атмосфере Земли.
Актуальность темы
Динамические проявления нижней атмосферы Земли (тропосферы) оказывают на жизнедеятельность человека заметное, часто определяющее влияние. Этим объясняется стремление исследователей не только понять сущность протекающих в ней процессов, но и создать их адекватные модели, способные прогнозировать особенности развития этих процессов во времени и в пространстве.
Интерес к строению и динамике более верхних слоев атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) появился в начале 20-х годов прошлого века в связи, в частности, с обнаружением эффекта дальнего распространения коротких радиоволн. С развитием средств радиосвязи, высотных полетов аппаратов исследование верхней атмосферы становится стремительно развивающимся научным направлением, оформившись в 70-80 годах в такие международные программы как MAP, MAC, STEP и др. Такое внимание к динамике средней и верхней атмосферы объясняется осознанием ее роли в формировании климата, экологии планеты, каналов радиосвязи, ее влиянием на полеты космических аппаратов, возможности использования ее мониторинга для предсказания погоды, катастрофических явлений и при исследовании глубинного строения Земли.
Исследования ведутся по двум главным направлениям: в одном преобладают статистические методы анализа имеющегося экспериментального материала, основой другого является развитие численных моделей планетарного распределения той или иной совокупности атмосферных параметров. Оба направления тесно связаны между собой, взаимно дополняют и обогащают друг друга.
Целью этих исследований является установление роли различных факторов в формировании погоды и климата верхней атмосферы и создание на этой основе прогностических моделей. Построение как статистических (экспериментальных) так и теоретических (численных) моделей верхней атмосферы в настоящее время далеко от завершения, что связано с мно-гопараметричностью состояния атмосферы, с исключительной сложностью взаимосвязи этих параметров, со сложным влиянием на динамику атмосферы многочисленных и не всегда хорошо известных внешних и внутренних факторов, с отсутствием достаточно представительных ста-
тистических данных о глобальном распределении термодинамических параметров атмосферы.
Поэтому создание численных как синоптических, так и климатических глобальных моделей состояния средней и верхней атмосферы является актуальной задачей. Одной из основных задач, стоящих перед исследователями атмосферы, является создание такой ее численной модели, которая воспроизводила бы поля искомых термодинамических параметров с точностью не меньшей точности их экспериментального определения (адекватная модель). Построение такой модели в настоящее время на основе полной системы гидротермодинамических уравнений, по нашему мнению, мало эффективно, поскольку полную модель, во — первых, трудно приспособить для воспроизведения конкретной синоптической ситуации из-за сильной и мало изученной изменчивости большого числа внешних возмущающих факторов, и, во — вторых, полученные результаты просто не с чем сравнивать (синоптические данные верхней атмосферы фактически отсутствуют). При воспроизведении на основе полной модели имеющихся климатических, крупномасштабных пространственно-временных вариаций полей термодинамических параметров возникают до сих пор не преодоленные трудности, связанные с необходимостью параметризации большого числа разнообразных процессов и факторов. Выход из создавшегося положения мы видим в создании адекватных моделей атмосферы на основе концепции блочного построения, т.е. детальной разработки и физического обоснования отдельных блоков модели (динамики, теплового режима, состава и др.). На первом этапе такого построения разрабатывается отдельный блок при заданных эмпирических моделях остальных. Затем разработанный блок укрупняется другим блоком и построение повторяется. Большое значение имеет и математическая постановка задачи и разработка эффективных методов решения многомерных нестационарных уравнений гидротермодинамики.
В настоящее время наиболее полными являются модели состава, плотности, температуры, которые представлены такими эмпирическими моделями как: DTM, Яккия77, MSIS86(90). Эти модели основаны на статистической обработке огромных массивов данных глобального мониторинга параметров верхней атмосферы, полученных разными методами в разных гелиогеофизических условиях, и воспроизводят климатические крупномасштабные пространсвено-временные вариации указанных параметров.
Цель работы
Разработать на основе эмпирических моделей атмосферы глобальную нестационарную численную модель крупномасштабной ветровой системы средней и верхней атмосферы, которая адекватно отражает динамическое состояние этой области атмосферы и позволяет прогнозировать эффекты влияния крупномасштабной циркуляции на поведение атмосферных и ионосферных параметров.
Основные задачи исследований
Разработать методы и алгоритмы решения нестационарных трехмерных нелинейных уравнений динамики атмосферы с корректным учетом граничных условий и численного представления решения в высокоширотных областях.
Программно реализовать расчет циркуляции средней и верхней атмосферы и провести сравнительный анализ результатов расчета систем циркуляции для разных эмпирических моделей термосферы с экспериментальными данными по ветрам для различных гелиогеофизических условий.
Разработать нестационарную трехмерную модель распространения в средней атмосфере крупномасштабных возмущений тропосферы (планетарных волн - КПВ) с учетом их нелинейного взаимодействия между собой и фоном.
Провести численные эксперименты по моделированию распространения КПВ с целью определения прогностических возможностей модели и оценки влияния вихревых потоков и разрушения внутренних гравитационных волн (ВГВ) на среднезональную циркуляцию и распространение КПВ.
Исследовать геофизические эффекты, сопровождающие работу мощных сейсмовибраторов, и влияние крупномасштабной ветровой системы на распространение инфразвука.
Методы исследований и фактический материал
Основными методами достижения поставленной цели являются: численное моделирование пространственно-временного распределения искомых параметров средней и верхней атмосферы Земли, сравнительный анализ имеющихся теоретических моделей циркуляции, анализ накопленного экспериментального материала по основным структурным параметрам атмосферы и циркуляции. Проведенные исследования включают в себя следующие основные этапы:
Математическую постановку задачи — выбор замкнутой для каждой конкретной задачи системы уравнений, учитывающей все основные процессы; формулировку начальных и граничных условий.
Разработку методов и алгоритмов численного решения выписанной системы уравнений, программную реализацию.
Проведение численных экспериментов, интерпретацию результатов расчетов, сравнительный анализ с имеющимися экспериментальными данными и результатами других исследователей с целью выяснения возможных упрощений и/или необходимых дополнений исходной системы уравнений, определения возможностей модели как инструмента для исследования, адекватного описания и прогнозирования процессов и параметров состояния атмосферы
Научная новизна работы
На основе метода расщепления разработан и реализован новый подход к решению нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики, который позволил снять "проблему полюсов" в численных моделях циркуляции атмосферы. В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах.
Предложена новая постановка верхнего граничного условия для вертикальной скорости ветра в метрической системе координат.
Разработаны оригинальные численные нестационарные трехмерные модели циркуляции (WSMT) и распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия планетарных волн между собой и фоном (MTPW).
Уточнены основные структурные особенности крупномасштабной системы термосферных ветров. Исследованы сезонные, суточные, долготные и по мировому времени вариации параметров этой структуры и зависимость этих вариаций от солнечной и геомагнитной активности, дана физическая интерпретация природы этих вариаций.
По модели MTPW выполнены численные расчеты, которые позволили установить особенности распространения КПВ и исследовать роль вихревых потоков, обусловленных процессами различных масштабов, в формировании структуры барического, температурного и ветровых полей средней атмосферы.
Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
Научная и практическая значимость работы
Разработанные модели глобальной циркуляции и распространения крупномасштабных планетарных возмущений могут быть использованы для решения ряда актуальных научных и прикладных задач:
планировании экспериментов и интерпретации результатов наблюдений о пространственно- временных вариациях параметров средней и верхней атмосферы,
моделирования переноса малых составляющих атмосферы,
развития прогностических моделей состояния средней, верхней атмосферы и ионосферы,
разработки технологии мониторинга состояния средней и верхней атмосферы Земли,
разработанные численные методы могут быть применены для решения подобных нелинейных многомерных задач при моделировании процессов динамики взаимодействия геосфер,
при планировании акустических измерений на больших расстояниях ( 1000 км) от источника и размещении пунктов сейсмодатчиков с учетом возможности возбуждения сейсмических колебаний акустическими волнами.
Научная и практическая ценность работы определяется также тем, что ее основные результаты получены при поддержке РФФИ (гранты № 96 - 05 - 66055, № 99 - 05 - 64676) и при.выполнении хоздоговорных работ с ИПГ (Москва), ЦАО (Обнинск), результаты которых изложены, в отчетах:
1. Создание физической квазитрехмерной полуэмпирической средне-широтной F-области ионосферы и апробирование-ее в,.здцачах прогнозирования состояния среднеширотной ионосферной плазмы: Отчет о НИР
(закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 81082291. - Новосибирск, 1983.-128 с.
Отладить и опробовать в задачах прогноза самосогласованную полуэмпирическую модель среднеширотной F-области ионосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 018400522239. -Новосибирск, 1985. - 33 с.
Создать модель термосферной циркуляции: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 01860073922. -Новосибирск, 1988. - 83 с.
Разработать численную глобальную (многоуровневую) модель циркуляции средней и верхней атмосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета.--№ ГР 01870049358.- Новосибирск, 1998. - 34 с.
Разработать трехмерную нестационарную численную модель ветрового режима средней и верхней атмосферы (10-300 км) с учетом нелинейного взаимодействия фоновых полей и крупномасштабных планетарных возмущений: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 01890026562. - Новосибирск, 2001. - 23 с.
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и положения, которые выносятся на защиту:
Построенную на основе разработанных численных методов решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики климатическую глобальную модель циркуляции средней и верхней атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT).Результаты анализа и физической интерпретации численных экспериментов.
Разработанную нестационарную трехмерную модель распространения КПВ с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW). Результаты численных экспериментов по исследованию распространения крупномасштабных планетарных возмущений.
Результаты экспериментальных исследований и численных расчетов по распространению инфразвука.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется обоснованностью используемых методов при построении численных моделей; качественном и количественном соответствии с результатами, полученными другими авторами при решении аналогичных задач и с экспериментальными данными; использованием общепризнанных методов анализа и обработки больших серий экспериментальных данных.
Личный вклад автора и взаимоотношения с соавторами. Общее направление исследований (моделирование крупномасштабных динамических процессов в атмосфере Земли), подходы и принципы построения численных моделей циркуляции были определены в результате дискуссий с Э.И. Гинзбургом и Л.В. Жалковской. Лично автором разработаны численные методы решения нелинейных трехмерных уравнений гидротермодинамики; программно реализованы все блоки моделей глобальной циркуляции атмосферы на высотах 10 - 600 км (модель WSMT) и модель распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW); проведены численные расчеты и созданы программы для их обработки.
Под руководством В.В. Кузнецова совместно с В.В. Плоткиным и СЮ. Хомутовым автором планировались эксперименты и осуществлялись экспедиции по исследованию геофизических эффектов (в частности, инфразвука), сопровождающих работу мощных сейсмовибраторов. Численная модель распространения инфразвука разработана лично автором. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно.
Апробация работы и публикации
Основные результаты докладывались на XXY Областной научно- технической конференции (Новосибирск, 1982), на IY и Y Всесоюзных совещаниях по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1982, 1985), на Г и II Всесоюзных симпозиумах по результатам исследований средней атмосферы (Алма- Ата, 1983, Москва, 1986), на YII Всесоюзном семинаре по математическому моделированию ионосферных процессов (Иркутск, 1984), на III Всесоюзном совещании "Полярная ионосфера и магнитосферно- ионосферные связи "(Апатиты, 1984), на XXI Генеральной Ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995), на 8-ой Научной Ассамблее IAGA (Упсала, Швеция, 1997), на XXY и XXYI Генеральных Ассамблеях EGS (Ницца, Франция, 2000, 2001)
Краткое содержание работы.
В первой главе на основе анализа современного состояния экспериментальных и теоретических исследований термосферы выработаны принципы и подходы к решению задач по описанию и прогнозированию состояния верхней атмосферы [19, 11, 12]. Приводятся математическая постановка задачи, методы ее решения и результаты численных расчетов для разных гелиогеофизических условий. На основе сравнения получен-
ных результатов с аналогичными исследованиями других авторов и с экспериментальными данными показано, что созданная модель адекватно описывает систему циркуляции верхней атмосферы и может служить базой для создания более детальных прогностических моделей верхней атмосферы и решения ряда прикладных задач, в частности, прогнозирование состояния F-области ионосферы, расчет системы ионосферных динамо-токов, как источников электромагнитного поля, и т.д.
В первых разработках модели термосферной циркуляции для решения уравнений движения, непрерывности и гидростатики использовался метод расщепления по координатам и физических процессам в различных его вариантах [13, 14, 24, 15, 31, 17]. Местное время и долгота были совмещены, находилось периодическое решение по местному времени (стационарное в системе Солнце-Земля) решение задачи. В работах [10, 19, 107] метод решения модернизирован, а в [ПО, 111] на его основе разработана нестационарная глобальная модель циркуляции средней и верхней атмосферы (WSMT) в метрической и лог-изобарической системах координат.
В схемах расщепления в отдельное уравнение выделяются члены нелинейного переноса, решение представляется в аналитическом виде. Задача сводится к вычислению характеристик на сфере с преобразованием уравнений характеристик к полярным координатам в высоких широтах. Аналитическое решение служит для преобразования оставшейся части уравнений на полюсах. Этим снимается "проблема полюсов" в численных моделях циркуляции атмосферы. Вертикальная скорость ветра в метрической системе координат вычисляется из уравнения непрерывности с верхним граничным условием, согласованным с граничными условиями для горизонтальных компонентов ветра и условием квазистатичности атмосферы для крупномасштабных движений.
В работах [16, 31, 9, 32, 20] на основе разработанной модели по "стационарному" блоку проведено исследование термосферной циркуляции для разных сезонов в зависимости от солнечной, геомагнитной активности и электрических полей.
Сравнение систем циркуляции для эмпирических моделей термосферы DTM, J77, MSIS, MSIS86 при различных гелиогеофизических условиях проведено в [10, 107], а в [44, 111] рассмотрены долготные изменения и вариации от мирового времени в термосферной циркуляции и сопоставление результатов расчета с эмпирической моделью горизонтальных ветров HWM93 и с экспериментальными данными среднеширотных стан-
ций НРР. Отмечены существенные различия в суточных вариациях ветра в экспериментальных данных для разных станций и в результатах расчета с разными эмпирическими моделями по меридиональному ветру на средних широтах, приведен анализ этих различий и их физическая интерпретация.
В результате сравнительного анализа всей совокупности приведенных результатов можно сделать основной вывод: расчеты ветра по всем эмпирическим моделям находятся в пределах экспериментального разброса данных. Разработанная трехмерная нестационарная модель термосфер-ной циркуляции воспроизводит отмеченные выше глобальную климатическую структуру ветровых полей и особенности вариаций циркуляции от сезона, уровней солнечной и геомагнитной активности.
Во второй главе проведен краткий анализ состояния исследований и подходов при построении моделей средней атмосферы (10 - 120 км) с целью его использования при создании численных прогностических моделей долгопериодных изменений структурных параметров атмосферы. Состояние средней атмосферы описывается суммой фоновых (среднезо-нальных) и вихревых (волновых) полей атмосферных параметров. Вихревые движения представляют собой движения различных масштабов: 1) синоптические — крупномасштабные возмущения, планетарные волны, 2) мезомасштабные возмущения, в частности, гравитационные волны, 3) возмущения малых масштабов — турбулентные процессы, акустические волны. Особое внимание уделено параметризации вихревых потоков импульса и тепла [19]. Вихревые потоки, обусловленные мезомасштабными движениями и возмущениями малых масштабов можно параметризовать через введение коэффициентов турбулентной диффузии и релеевского трения. На высотах верней мезосферы и нижней термосферы учитывается ускорение зонального потока, как источника генерации меридиональной циркуляции, вызванного распадом внутренних гравитационных волн (ВГВ). Вихревые потоки за счет планетарных волн, тепловых солнечных приливов и т.д. учитываются автоматически при решении блока уравнений ветрового переноса (1.10).
Рассмотренная в главе 1 модель термосферной циркуляции с учетом перечисленных выше процессов "опущена" до высоты 10 км. Нижняя граница этой модели (модель WSMT) не зафиксирована и устанавливается в зависимости от используемой в расчетах эмпирической модели атмосферы. Предварительные результаты расчета среднезональной циркуляции средней атмосферы содержатся в [21, 18]. Окончательный вариант моде-
ли WSMT рассмотрен в работах [ПО, 111].
Расчеты циркуляции по модели WSMT (с эмпирической моделью MSIS90) и сравнение их с расчетами по расширенной модели HWM93 (с добавленным к ней нами блока расчета вертикальной скорости ветра из уравнения непрерывности с параметрами атмосферы MSIS-90) и CIRA72(86) позволили сделать следующие выводы. Наблюдается хорошее качественное и количественное соответствие в зональной скорости ветра. Генерация средней меридиональной циркуляции на страто-мезо-сферных высотах осуществляется, в основном, механизмом релеевского трения. Учет распада ВГВ (в приближении Пламба и МакИвена [152]) приводит к значительному замедлению зонального потока на средних широтах зимнего полушария с образованием струи восточных ветров до 40 м/с на высотах ~ 100 км и к усилению прямой меридиональной ячейки циркуляции (из летнего полушария в зимнее) в верхней мезосфере, особенно заметному в летнем полушарии.
Расчеты по WSMT качественно согласуются с результатами работ
Данкертона, Гарсия и Соломона, и представляются нам более реали
стичными по сравнению с HWM93, так как базируются на статистически
более обоснованных структурных параметрах атмосферы в отличие от
имеющихся данных по меридиональному ветру на высотах средней ат
мосферы, используемых в модели HWM93.
Для получения спектра планетарных волн, не заложенных в эмпирических моделях атмосферы, разработана нестационарная трехмерная модель распространения крупномасштабных возмущений из тропосферы с учетом нелинейного взаимодействия волн между собой и фоном (модель MTPW) [26]. Система уравнений модели WSMT дополнена уравнениями теплового баланса для возмущения температуры и для возмущения геопотенциала. Основные уравнения модели записаны в лог-изобарической системе координат. В модели учтены члены горизонтальной турбулентности и вихревой диффузии для подавления процессов подсеточного масштаба в уравнениях движения и теплопроводности. Учет процессов подсеточного масштаба, разработанный и используемый в климатических моделях NCAR (Национальный Центр Атмосферных Исследований, Боулдер) и ВЦ СО РАН (Новосибирск) нами модернизирован, чтобы устранить имеющиеся там расходимости в вихревых потоках импульса и в выражениях для горизонтальных деформаций в приполюсных областях.
Задача решается при заданном распределении среднезональных параметров атмосферы по модели MSIS90 (плотность, давление, темпера-
тура). Испытания численной модели MTPW проведены с заданием на уровне 10 км высоты возмущения геопотенциала в виде первой долготной гармоники.
Сравнение результатов расчета по модели MTPW с расчетами по моделям WSMT и HWM93 показало, что не смотря на схематичность задания пространственно - временной структуры возмущения на нижней границе, получено хорошее согласие между расчетами в возмущениях ветра, температуры и геопотенциала. Это позволяет сделать вывод, что наблюдаемые долготные вариации атмосферных параметров обусловлены, в основном, первой долготной гармоникой возмущения. Это указывает также на то, что нами верно учтены основные процессы, формирующие состояние средней атмосферы и влияющие на распространение КПВ, и на эффективность разработанных численных методов решения задачи
Расчеты показали, что влияние турбулентности и особенно процессов подсеточного масштаба, не сказывается на рассчитываемые параметры; расчеты с учетом разрушения ВГВ свидетельствуют, что распад ВГВ способствует межполушарному распространению планетарных волн и возбуждению на высотах мезопаузы и нижней термосферы значительных долготных возмущений во всех параметрах средней атмосферы.
Полученные результаты также показывают, что только в рамках трехмерных нестационарных моделей возможен корректный учет процессов нелинейного взаимодействия, которые определяют динамическое состояние и структуру средней атмосферы. Модель MTPW может служить основой для создания моделей, предназначенных для исследования тропосферно - стратосферных взаимосвязей и прогнозирования состояния средней атмосферы.
В третьей главе проведены исследования распространения инфразвука с помощью комплекса аппаратуры, включающего в себя акустические датчики, сейсмодатчики и мощные сейсмовибраторы, установленные на полигоне "Быстровка" СО РАН (Новосибирск) и их анализ с помощью численных расчетов. Измерения проводились на различных расстояниях от сейсмовибраторов в диапазоне частот 5-10 Гц. Результаты этих исследований изложены в работах [112, 114, 25, 26].
Акустические измерения за 1998-2001 гг показали, что мощные сейсмовибраторы являются эффективными генераторами инфразвука и могут быть использованы для изучения его распространения.
При свип-режиме работы сейсмовибраторов анализ взаимных корре-
ляционных функций между записями акустических датчиков и опорным сигналом позволяют наблюдать этот сигнал на расстояниях до 210 км от вибратора в условиях, когда его амплитуда ниже уровня акустических шумов в пункте приема и сигнал испытывает различные фазовые искажения в реальной атмосфере.
Обнаружено, что сигналы, отраженные в тропосфере, более нестабильны, чем стратосферные. Они могут наблюдаться лишь в течение одной ночи или даже одного сеанса. Бывает, что тропосферные акустические сигналы не слышны в течение нескольких дней и недель. Амплитуда и модовый состав тропосферных акустических сигналов могут существенно изменяться в течение одного сеанса.
Экспериментально доказана генерация сейсмических колебаний при воздействии акустической волны на грунт на расстояниях от 4 до 210 км. Передача энергии колебаний от сейсмоисточника к сейсмоприемнику на инфразвуковых частотах по атмосферному каналу может быть более эффективной, чем ее непосредственный перенос сейсмическими волнами в твердой Земле.
Результатами расчетов распространения инфразвука с рассчитанными по созданной модели циркуляции атмосферы WSMT данными и его регистрацией установлена возможность предсказания особенностей распространения инфразвука на расстояниях до 200 км от источника.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Стационарная в системе Солнце-Земля циркуляция термосферы
Расчеты циркуляции верхней атмосферы в данном параграфе проведены по стационарному блоку (стационарная в системе Солнце-Земля система циркуляции) описанной выше нестационарной глобальной модели циркуляции верхней атмосферы с эмпирическими моделями термосферы DTM, J77 и MSIS86 в интервале высот 120-600 км. Для расчета проводимостей используется модель глобального распределения электронной концентрации Chiu75 [81]. В качестве распределения электрических полей магнитосферной конвекции используется предложенная Уваровым и Барашковым [56] аналитическая аппроксимация эмпирической модели А Неррпег [125]. Электрическое поле в низких и средних широтах рассчитывается по модели электрического потенциала Richmond et al. [155]. Коэффициент динамической вязкости воздуха [im рассчитывается по выражениям из [65]. На всех рисунках меридиональная скорость ветра приведена с положительным направлением на север, как это принято в метеорологии. 1.4.1 Общая характеристика циркуляции термосферы Формирование крупномасштабной циркуляции термосферы происходит под влиянием различных конкурирующих процессов и сил, которые при заданных распределениях параметров нейтральных и ионизированных компонентов атмосферы перечислены и определены в параграфе (1.2). Относительная роль различных сил (членов в уравнениях движения) наглядно иллюстрируется их прямым сопоставлением для различных гелиогеофизических условий. Данный способ достаточно эффективен и при сравнении различных динамических моделей: рассматриваемые силы зависят, как правило, от компонентов скорости ветра, поэтому любые изменения внутренних и внешних параметров модели приводят к переоценке относительного вклада сил. Одно из первых сопоставлений было проведено Бламом и Харрисом в 1975 г [72, 73] на средних широтах для условий равноденствия и высокой солнечной активности (СА) и позднее Эмери [92] для Миллстоун-Хилла при близких значениях параметров Fio.7 и Кр для летнего солнцестояния. Получено, что большую часть суток градиент давления (движущая сила) уравновешивается ионным торможением, т.е. термосферный ветер при выбранных На рис. 1.4 приведены наши расчеты суточного хода значений различных членов в уравнениях движения для меридиональной и зональной скорости ветра в [см/сек2] с моделью DTM на высоте 300 км и широте 45N для летнего солнцестояния при средней СА (Fioj = 125) и умеренной геомагнитной возмущенное (Кр=2) без учета электрических полей. Результаты расчетов подтверждают сделанные ранее выводы о почти полной компенсации наиболее значимых в термосфере сил: барической и ионного торможения. В темное время суток возрастает роль инерционных сил и кориолисова ускорения. Сила вязкости на 300 км и больших высотах относительно мала, т.к. ветер практически не изменяется с высотой, но именно благодаря большой роли молекулярной вязкости на этих высотах мы имеем такую вертикальную структуру ветра. Сделанные выводы существенно зависят от географических координат из-за сильной горизонтальной неоднородности ветра (см. рис. 1.5). На рис. 1.5 приведены карты горизонтальной скорости ветра на высоте 300 км (DTM, F 10.7=75,.Кр=1, зимнее солнцестояние), которые показывают влияние нелинейных членов (ветрового переноса) в уравнениях движения и электрических полей на горизонтальную структуру ветра. Влияние переноса (в основном меридионального) заметно в низких и особенно в экваториальных широтах и он больше сказывается на меридиональной скорости ветра. При наличии электрических полей роль нелинейных членов возрастает и распространяется на высокие широты. Влияние электрических полей существенно в средних и особенно сильно в высоких широтах и сказывается на всех компонентах ветра - это при слабой геомагнитной активности. При средней и сильной геомагнитной возмущенности роль электрических полей в формировании термосферной циркуляции возрастает. Наличие сильных электрических полей на ионосферных высотах — неотъемлемый антрибут верхней атмосферы.
Наиболее общие особенности глобальной системы термосферных ветров хорошо видны из ветровых карт рис. 1.6, построенных на высоте 300 км для условий зимнего солнцестояния и весеннего равноденствия, низкой солнечной активности и слабой геомагнитной возмущенности при использовании модели DTM (результаты для других термосферных моделей в качественном отношении аналогичны). Электрические поля не учтены. Анализ этих карт позволяет сделать следующее выводы: - вне зависимости от сезона перенос воздушных масс осуществляет-из области максимума давления в области низкого давления; это не и означает, что линии тока направлены к изобарам - конкурирующее влияние магнитоионного торможения, силы Кориолиса и инерционных сил приводит к сложным траекториям переноса массы. В зависимости от условий наблюдения, можно обнаружить изменение ветра от квазигеост-рофического (баланс силы Кориолиса и барических сил) до градиентного (баланс барических сил и магнитоионного торможения); - в период солнцестояния имеет место трансэкваториальный перенос массы из летнего полушария в зимнее в среднем с восходящими потоками в летнем полушарии и нисходящими в зимнем, т.е. осуществляется одна прямая ячейка циркуляции. Зональные потоки в летнем полушарии направлены преимущественно на запад, а в зимнем - на восток; - в период равноденствия рассчитанные ветры практически симметричны относительно экватора. В среднем по полушариям меридиональный ветер направлен к экватору, а зональный - на запад. Усредненная по широте суточная вариация вертикальных потоков характеризуется восходящими движениями днем и нисходящими - ночью. При суточном усреднении направленный к экватору ветер замыкается на нисходящие движения в низких широтах и восходящие - в высоких широтах. - во все сезоны ветры более сильные в ночные и предвосходные часы когда магнитоионное торможение слабее по сравнению с остальным временем суток, что вызвано особенностями пространственного и временного распределения электронной концентрации (ионного состава).
В качестве предварительного сравнительного анализа на рис. 1.7 приведены расчеты компонентов ветра для летнего солнцестояния при Кю.7= 125 и Кр = 2 (без электрического поля) на высоте 300 км и широтах ±40 с тремя моделями термосферы, а на рис. 1.8 — среднезональная меридиональная циркуляция на 300 км и 40N для этих же условий. Между нашими расчетами и аналогичными расчетами Фонтанари и др. [96] в целом по горизонтальным скоростям имеется качественное согласие, однако количественные расхождения значительные, особенно для зимнего южного полушария. По вертикальной скорости, рассчитанной с моделью DTM, в высоких широтах наблюдаются качественные различия, которые приводят в [96] к искажению средней меридиональной циркуляции: вертикальная скорость направлена вниз, в зимнем полушарии отсутствует обратная ячейка циркуляции (ср. с рис. 1.8). Причиной этих расхождений является использование разных методов численного решения нелинейных трехмерных уравнений гидродинамики (см. стр. 29 и стр. 38).
Долготные эффекты в термосфере и вариации от мирового Времени
Интерес к долготным (LN) эффектам и вариациям от мирового времени (UT) в термосфере возник как к возможной причине установленных экспериментально на всех широтах этих вариаций в параметрах Р2-слоя ионосферы (критической частоты /QF2 и высоты максимума слоя hmF2). Полной ясности в источниках этих вариаций в термосфере, механизмах их воздействия на параметры ионосферы и полной картины особенностей этого явления не достигнуто по сей день. В высоких широтах основными причинами формирования LN, UT вариаций и главного ионосферного провала (ГИП) в электронной концентрации являются: перенос плазмы под действием электрического поля магнитосферной конвекции ("привязанного" к геомагнитному полюсу), суточные и сезонные вариации освещенности, аврорального овала и расположения магнитопаузы, определяющие морфологию и величину источников новообразования и электрического поля (см. например, Колесник и Голиков [38, 39]). В работе Карпачева и Афонина [37] показано, что вероятность образования ГИП зависит от уровня МА и фоновой концентрации электронов, которая определяется условиями освещенности и нейтральным ветром.
Долгое время считалось, что в низких и экваториальных широтах долготные вариации электронной концентрации и, в частности, экваториальной аномалии (ЭА), вызываются в основном долготными изменениями магнитного наклонения I (несовпадение географического и геомагнитного полюсов) и электрическими полями (Е х В дрейф). Анализ данных спутника "Интеркосмос-19" (ИК-19) по зондированию ионосферы показал, что в области широт с I = (—60, 4-60) в ночные часы наблюдаются сильные LN вариации foF2, электронной концентрации во внешней ионосфере и особенно hmF2 вдоль линий постоянного магнитного наклонения и их асимметрия относительно геомагнитного экватора (Деминова [28], Карпачев [36]). В [36] выявлена сильная сезонная изменчивость в величине долготных вариаций этих параметров. Долготные вариации электрического поля в низких широтах известны давно (см. например, Rastogi et al. [153]), однако его сезонная изменчивость незначительна (Ричмонд и др. [155]). В работе [36], по результатам оценки вкладов разных механизмов в LN вариации ионосферных параметров, делается заключение: вклад нейтрального ветра в формировании LN вариаций является преобладающим и его сезонная изменчивость приводит к сильной сезонной зависимости характера долготных эффектов в ЭА и их асимметрии.
Статистический анализ долготных вариаций критических частот F2-слоя по сети среднеширотных ионосферных станций (Хачикян и др. [58]) показал, что LN вариации для различных моментов местного времени могут быть представлены суммой двух первых зональных гармоник (т=Г,2). В работах Хачикян и др. [58, 59] показано, что амплитуда первой долготной гармоники foF2 в суточном ходе максимальна в дневные часы, а в сезонном — в период весеннего равноденствия. Сделано заключение, что эта гармоника в зимний сезон обусловлена, в основном, соответствующей гармоникой вертикальной скорости дрейфа плазмы за счет нейтрального ветра, а в остальные сезоны, особенно в дневные часы, основным механизмом генерации гармоники с m = 1 являются долготные вариации нейтрального состава. За гармонику с m. = 2 отвечают долготные вариации вертикального дрейфа плазмы. По данным спутника "ИК-19" Деминовым и Карпачевым [27] показано, что в ночные часы долготный эффект в зимний сезон значительно больше, чем в летний, и связан с сильными широтными градиентами меридиональной скорости ветра; долготные изменения нейтрального состава вносят меньший вклад. Приведенные в работе Mendillo et al. [146] данные свидетельствуют, что изменениями нейтрального состава (отношением [0]/[Л ]) нельзя полностью объяснить вариации foF2 в дневное время.
В связи с изложенными выше результатами небольшого числа работ по вариациям параметров ионосферы, представляет интерес исследовать аналогичные вариации в термосферной системе ветров. Расчеты проведены по разработанной нестационарной модели циркуляции и по эмпирической модели горизонтальных ветров HWM93 [123]. На рис. ( 1.16 -1.18) представлены примеры расчета долготных, по мировому и местному (LT) времени вариаций горизонтальной скорости ветра для зимнего солнцестояния при низкой солнечной и геомагнитной активности для двух моделей термосферы: DTM - это одна из первых моделей термосферы, основанная в основном на данных по торможению спутников и не содержит зависимости параметров от долготы и мирового времени; MSIS86 - одна из последних усовершенствованных моделей, содержит выше указанные вариации параметров.
Поясним понятия введенных вариаций. Любую функцию от координат и времени можно представить в виде: Ф(г, 9, Л, t) = Фт(г, в, т) + ФА(г, 9, А) + Ф (г, 9, t). В нашем случае г = t + Л - местное время, t - мировое время. Вариацию и зависимость от местного времени определим как Фг(г,0,т) = і У (r,0,T,t)dt = ± J4(r,M,T-A)dA. Долготная вариация и вариация от мирового времени где среднезональная величина 4rJ) = - j4rA\t)d\db. Рассмотрим зависимость ветра от местного времени. Сравнение карт LT вариаций ветра на высоте 300 км для DTM (рис. 1.16) с аналогичными расчетами по стационарному блоку модели (нижний ряд на рис. 1.5, стр. 43) показывает, что при подобной в целом картине ветров произошло сглаживание широтной структуры меридионального ветра в послеполуденные часы в низких широтах, а в зональной скорости — в высоких широтах во все часы суток. В общих чертах наблюдается хорошее качественное и количественное соответствие рассчитанного по трем моделям горизонтального ветра (рис. 1.16). При переходе от HWM93 к DTM и далее к MSIS86 модели структура ветра и его суточных гармоник усложняется.
При рассмотрении LN и UT вариаций обращает на себя внимание качественное и, более того, количественное согласие в вариациях ветра, рассчитанных по двум разным эмпирическим моделям термосферы (DTM и MSIS86). Наибольшие количественные различия заметны в долготных вариациях в высоких широтах. Это можно объяснить следующим: - долготные вариации ветра в низких широтах связаны исключительно с долготными эффектами магнитоионного торможения, которые обусловлены геометрией силовых линий геомагнитного поля (несовпадение полюсов) и, в меньшей мере, долготными вариациями электронной концентрации. В высоких широтах наибольшее значение имеют долготные вариации градиентов давления для фиксированных моментов местного времени; - унитарные вариации наиболее заметны в высоких широтах и так же вызываются выше названными причинами, однако основным механизмом их формирования является передача импульса от электромагнитного дрейфа ионов нейтральному газу. Амплитуда первой долготной гармоники меридионального ветра в низких широтах и 40 м/с превосходит аналогичную гармонику в зональном ветре и суточную гармонику меридиональной скорости. На фоне этого настораживает отсутствие в модели HWM93 долготных вариаций меридиональной скорости ветра в средних и низких широтах при их наличии и хорошего соответствия с вариациями по модели MSIS86 в зональной скорости (в летнем полушарии с разницей в фазе 90).
UT вариации наиболее сильны (до 40 м/с) в высоких широтах. Для меридиональной скорости меньше в низких широтах зимнего полушария с минимумом амплитуды на средних широтах, в зональной скорости слабы на всех широтах за исключением высоких. Унитарные вариации ветра модели HWM93 слабее, чем рассчитанные по нашей модели циркуляции; качественно согласуются по зональной скорости, по меридиональной скорости в высоких широтах наблюдается сдвиг по фазе на 90. Значительная амплитуда долготных и по мировому времени вариаций ветра (десятки метров в секунду) указывает на важность их учета при изучении и прогнозировании состояния верхней атмосферы, а так же при анализе экспериментальных данных. Сравнительный анализ этих вариаций для конкретных гелиогеофизических условий показал, что в модели HWM93 необходимо откорректировать LN и UT вариации.
Модель распространения планетарных волн
Представление ветровых полей в виде разложения по долготным гармоникам задает спектр планетарных волн, возбуждаемых долготными неоднородностями в параметрах эмпирических моделей атмосферы. Для получения спектра планетарных волн, не заложенных в стандартных моделях атмосферы, разработана модель распространения крупномасштабных возмущений тропосферного происхождения с заданием возмущающего источника на нижней границе модели 10 км (модель MTPW). Эта модель является естественным развитием модели WSMT. В сферической лог-изобарической системе координат основные уравнения модели при заданных среднезональных параметрах атмосферы представим в виде: Введены дополнительные (см. раздел 1.2) обозначения: z = —\п(р/р3) -вертикальная координата, р3 - некоторое условное давление, w — dz/dt - мера вертикальной скорости, Ф - геопотенциал, Je - внешний нагрев, кг - коэффициент трения, а - коэффициент подавления, FQ, F\, Q - силы и источник нагрева, обусловленные молекулярной вязкостью и теплопроводностью, турбулентностью и магнитоионным торможением, Q -среднезональный вихревой поток тепла, S = дТ/dz + xT, (5 = дТ/гдв, х = Rg/cp, Rg - газовая постоянная сухого воздуха, ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении. Штрихом помечены отклонения величин от их среднезональных значений, например: Т = T(z, в) + TUz,.0,A), Г=(Г = (1/2тг)/ТгіА.
Связь между метрической вертикальной скоростью vr и w задается соотношением Сила магнитоионного трения Fj (см. уравнение 1.9 на стр. 36) при совмещении географического и геомагнитного полюсов дается выражением При учете переноса момента количества движения и тепла за счет молекулярной вязкости, теплопроводности и мелкомасштабных вихрей только в вертикальном направлении, соответствующие выражения для сил и источников нагрева имеют вид: vV = jm + m-z (223) с,у д дг а ат где Н = р/ рд - высота однородной атмосферы, Ат - коэффициент молекулярной теплопроводности. При записи выражения для Q v наряду с турбулентным потоком тепла в вертикальном направлении учтен процесс диссипации энергии турбулентных пульсаций Изаков [34]. Учет горизонтальной вихревой диффузии и процессов подсеточного масштаба осуществлен по аналогии с работами Вашингтона и Вильям-сона [5], Марчука и др. [48], однако нами несколько модернизирован, чтобы устранить имеющиеся там расходимости в вихревых потоках импульса ив выражениях для горизонтальных деформаций в приполюсных областях. Наши выражения имеют вид: Уравнение (2.42) решаем методом матричной прогонки по высоте с заданным нижним граничным условием и с верхним граничным условием Ф — 0 или дФ/dz = 0. Используя найденное решение для возмущения геопотенциала, из уравнений (2.38) находим возмущения горизонтальной скорости vi+l и vP+1, после чего из уравнения непрерывности (2.39) вычисляем {yJ+1 и из уравнения (2.40) находим TJ+1. Сворачивая найденные гармоники для возмущений и суммируя их с ранее вычисленными среднезональными величинами, переходим к следующему временному интервалу — решению системы уравнений (2.29) - (2.31) и (2.32) - (2.36). 2.4 Численные эксперименты При испытании описанной выше численной модели (модель MTPW) основное внимание было уделено распространению планетарных волн и их взаимодействию между собой и среднезональными ветрами с источником возмущения на нижней границе, в связи с этим положено J e=0. Коэффициент ньютоновского выхолаживания а взят по Schoeberl [165]. Для "опорного" коэффициента горизонтальной турбулентности ко принято согласно [48] значение 5-Ю4 [м2/с]. Возмущение высоты геопотенциала на нижней границе задавалось выражением Я; = Я0(і-е- )зіп( )совЛ при 0 = в\ в 02 = 60 и равным нулю на остальных широтах, Яо=350 м , to - характерное время нарастания возмущения (3 сут). Это выражение представляет наиболее часто используемую в численных моделях первую долготную гармонику возмущения.
Расчеты проведены в интервале высот 10 - 300 км для условий зимнего солнцестояния, низкой солнечной активности (F10.7 = 75) и слабой геомагнитной возмущенности (Кр=1). Среднезональные параметры атмосферы рассчитывались по модели MSIS90. Результаты расчета без учета распада 2.6. Зональный ветер очень незначительно отличается от рассчитанного без учета возмущения. Это объяснятся тем, что среднезональные параметры атмосферы были.застабилизированы. При их расчете можно ожидать существенных широтных изменений этих параметров в зимней стратосфере, т.к. значительные долготные вариации температуры и ветра (см рис. 2.7-2.9), вызванные возмущением геопотенциала на нижней границе, могут внести заметный вклад в средне-зональный вихревой поток тепла. В меридиональной и особенно в вертикальной скоростях ветра изменения в зимней стратосфере существенны. Расчеты показали, что влияние вертикальной турбулентности и особенно процессов горизонтальной вихревой диффузии и подсеточного масштаба, почти не сказывается на рассчитываемые параметры — основную роль играет релеевское трение. На рис. 2.7 приведены высотно- широтные разрезы амплитуд 1-й долготной гармоники возмущения высоты геопотенциала, температуры и горизонтального ветра, рассчитанные по эмпирической модели горизонтальных ветров HWM93 [123], модели WSMT и полученные на 15 сутки от начала возмущения по модели MTPW, а на рис. 2.8 — соответствующие амплитуды 2-ой. и 3-ей долготных гармоник по модели MTPW. На рис. 2.9 приведены широтно-долготные карты на высоте 40 км отклонений высоты геопотенциала и температуры от их среднеглобальных значений на этой высоте и компоненты горизонтальной скорости ветра, рассчитанные по трем моделям.
Амплитуды 1-й долготной гармоники возмущений по моделям HWM93 и WSMT хорошо согласуются между собой, в нижней термосфере заметны долготные вариации, проникающие сюда и возбуждаемые в верхней термосфере. По модели MTPW амплитуда вариаций вдвое больше, причиной этого является выход источника возбуждения на четвертые сутки на стационарность. Обычно наблюдаются крупномасштабные планетарные волны (КПВ) с периодами 5-10 суток, иногда возникают сильные нестационарные КПВ с временами релаксации порядка 10 суток. По мере проникновения возмущения, его максимум смещается к полюсу и к западу с разницей в фазе на 15-е сутки около 110 (см рис. 2.9). Разница в фазе между расчетами по модели MTPW по сравнению с моделями HWM93 и WSMT составляет 90. Нелинейное взаимодействие волн приводит к возбуждению значимых по амплитуде 2-й и 3-й гармоник возмущения для всех рассчитываемых параметров. В модели HWM93 их нет, а в расчетах по WSMT эти гармоники меньше по амплитуде, чем рассчитанные по MTPW. В результате расчетов получены следующие результаты:
Расчет траекторий распространения инфразвука
Теория распространения звука в неоднородной неподвижной среде хорошо разработана и известна (см., например, Бреховских [4]). В наиболее общей форме уравнения акустики неоднородной движущейся среды даны Блохинцевым [3] и Татарским [55]. Из последующих обзоров по теории распространения звука в неоднородной движущейся среде можно отметить работу Осташева [50]. Основные особенности распространения звука определяются относительно медленными изменениями параметров среды (температуры, плотности, скорости ветра). Рассматривая параметры звуковой волны как малое возмущение относительно основного состояния среды, распространение звука можно описать линеаризованной системой уравнений гидротермодинамики. Далее, полагая, что параметры среды мало изменяются на протяжении длины волны звука, можно воспользоваться методами геометрической акустики [3], т.е. положить, например, для звукового давления где и — частота звука, ко = 27г/Ао = OJ/CQ — волновое число, CQ — скорость звука в пункте источника, &оФ — фаза волны. В нулевом приближении (при разложении искомого решения по обратным степеням числа iko) находится уравнение эйконала (уравнение поверхности постоянной фазы): где и — вектор горизонтальной скорости ветра (вертикальной скоростью пренебрегаем из-за ее малости). В случае горизонтально - однородной стратифицированной атмосферы функция Ф не зависит явно от горизонтальных координат, которые являются циклическими. При выборе горизонтальной оси х в направлении от источника звука к приемнику и обозначая через и скорость попутного ветра, уравнение (3.2) принимает вид где а = д /дх - постоянная интегрирования.
Введем единичный вектор нормали к фазовому фронту волны n = УФ/УФ с углом подъема луча над поверхностью Земли в. Для луча с начальным углом выхода OQ.B произвольной точке траектории получим Функция высоты отражения инфразвука (cos 9 = 1) в зависимости от начального угла скольжения луча Z = /(#о) определяется уравнением Теория распространения звука в неоднородной неподвижной среде хорошо разработана и известна (см., например, Бреховских [4]). В наиболее общей форме уравнения акустики неоднородной движущейся среды даны Блохинцевым [3] и Татарским [55]. Из последующих обзоров по теории распространения звука в неоднородной движущейся среде можно отметить работу Осташева [50]. Основные особенности распространения звука определяются относительно медленными изменениями параметров среды (температуры, плотности, скорости ветра). Рассматривая параметры звуковой волны как малое возмущение относительно основного состояния среды, распространение звука можно описать линеаризованной системой уравнений гидротермодинамики. Далее, полагая, что параметры среды мало изменяются на протяжении длины волны звука, можно воспользоваться методами геометрической акустики [3], т.е. положить, например, для звукового давления где и — частота звука, ко = 27г/Ао = OJ/CQ — волновое число, CQ — скорость звука в пункте источника, &оФ — фаза волны.
В нулевом приближении (при разложении искомого решения по обратным степеням числа iko) находится уравнение эйконала (уравнение поверхности постоянной фазы): где и — вектор горизонтальной скорости ветра (вертикальной скоростью пренебрегаем из-за ее малости).
В случае горизонтально - однородной стратифицированной атмосферы функция Ф не зависит явно от горизонтальных координат, которые являются циклическими. При выборе горизонтальной оси х в направлении от источника звука к приемнику и обозначая через и скорость попутного ветра, уравнение (3.2) принимает вид где а = д /дх - постоянная интегрирования. Введем единичный вектор нормали к фазовому фронту волны n = УФ/УФ с углом подъема луча над поверхностью Земли в. Для луча с начальным углом выхода OQ.B произвольной точке траектории получим Функция высоты отражения инфразвука (cos 9 = 1) в зависимости от начального угла скольжения луча Z = /(#о) определяется уравнением
