Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс последних десятилетий в проведении согласованных экспериментальных и теоретических исследований атмосферных и ионосферных процессов обеспечил понимание определяющего влияния на многие из них акустико-гравитационных волновых возмущений.
В связи с важностью рассматриваемой проблемы особо значимым представляется вопрос о механизмах возбуждения акустико-гравитационных волн. Исследуемая в диссертации задача о генерации этих волн позволяет получить общую картину закономерностей излучения при равномерном движении локализованных источников (черенковское излучение), а также при пересечении крупномасштабных неоднородностей атмосферы (переходное излучение).
Акустико-гравигационные волны вносят существенный вклад в общий энергетический баланс и оказывают: многообразное Влияние на процессы в атмосфере и ионосфере Земли. С ними связано образование неоднородностей электронной концентрации различных масштабов. Неустойчивость внутренних гравитационных волн на высотах средней атмосферы приводит с формированию турбулентных областей. Поэтому особо актуально теоретическое исследование особенностей распространения акустико-гравитационных волн в реалистичных атмосферных моделях і изучение условий возникновения неустойчивостей и анализ проявлений волновых процессов на разных высотах.
На первый взгляд наличие выделенных волновых возмущений упрощает теоретическое исследование' проблемы. Однако реально упрощения не происходит из-за большого значения других факторов: неоднородного распределения плотности и температуры атмосферы, ветровых течений, нестационарности среды, неодномерности возмущений, наличия турбулентности, взаимодействия с другими типами возмущений и т.д.. Многие из перечисленных вопросов рассматриваются в данной работе.
Разработанные в диссертации количественные методы особенно эффективны для анализа условий возбуждения акустико-гравитационных поли равномерно движущимися локализованными объектами, такими как отдельные участки дуг полярных сияний, метеорные тела, перемещающаяся граница между нагретой и холодной областями атмосферы (терминатор, солнечное затмение). Полученные в работе результаты
могут быть использованы при разработке проблемы диагностики землетрясений! при интерпретации данных о перемещающихся ионосферных возмущениях и при изучении особенностей радцоотражений от спорадических слоев Б с большим диапазоном полупрозрачности.
Актуальность детального анализа механизмов возбуждения, распространения и влияния на ионосферную плазму акустико-гравитационных волн определяется непосредственными практическими приложениями) связанными с решением задач о локализации источника, о распространении радиоволн, об изучении условий полетов летательных аппаратов, о диагностике параметров атмосферы и ионосферы. Указанная тематика является неотъемлемой частью Международных программ, по изучению окружающей среды.
Цель и задачи работы. Диссертация посвящена разработке моделей возбуждения и распространения акустико-гравитационных волн, последовательно учитывающих реальные атмосферные процессы. Задачи работы обусловлены необходимостью создания адекватных вариантов теоретического описания акустико-гравитационных возмущений разной природы в неоднородной, неизотермической и нестационарной атмосфере и ионосфере. Больное внимание уделяется выяснению, связи теоретических моделей, описывающих акустихо-гравитационные возмущения, с реальными условиями и структурными элементами среды.
Методы исследования. Методы исследования связаны в первую очередь с постановкой и,решением эталонных модельных задач. Во многих случаях их успешное решение, обеспечивается удачным выбором переменных и использованием различных аналитических методов, некоторые из которых оригинальны. Определенное внимание уделено численному моделированию. Выясняются и используются аналогии с другими физическими системами. Полученные результаты во всех основных случаях сопоставляются с. известными экспериментальными данными.
Научная новизна работы. В работе впервые: - решена задача о генерации акустико-гравитационных волн объектами, движущимися равномерно под фиксированным углом к вертикали, получено точное решение задачи об излучении этих волн движущимися над поверхностью Земли источниками; впервые в общем виде рассмотрена теория переходного излучения акустико-гравитационных волн; -найдены параметры волновых возмущения, создаваемых находящимися на поверхности Земли изменяющимися во времени препятствиями стационарному ветру; проанализирована задача о распространении звуко-
вых волн в атмосферном слое с переменным ветром;
-предложена и обоснована идея о возможности генерации среднемае-птабных перемещавшихся возмущений атмосферной турбулентностью при наличии сильных ветровых сдвигов в области турбопаузы;
- предложен ранее неизвестный механизм пучковой неустойчивости
звуковых волн, выяснены условия его реализации;
- получено дисперсионное соотношение для нового типа поверхностных
волн в атмосфере со скачком температуры; проанализированы особен
ности распространения поверхностных волн и прижатой моды на часто
те Вяйсяля-Брента в переходной области солнечной атмосферы;
-найдено точное решение модельной задачи о распространении внут
ренних гравитационных волн в области падающего участка температу
-получены аналитические результаты о структуре низшей моды акусти-
ко-гравитационных волн в атмосфере с реалистичным профилем темпе
ратуры;
-предложен ранее неизвестный механизм возникновения мелкомасштабных неоднородностей ионосферной плазмы; обоснована.модель спектра неоднородностей, связанная с движением нейтрального газа и объясняющая различные типы наблюдаемых диффузных отражений от слоя Е ионосферы.
Научное я практическое значение работы. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию природы волновых процессов в атмосферах Земли и Солнца, включая вопросы их генерации, распространения ~іГ~влияния на ионосферную плазму.
Выводы теории черенковского и переходного излучения акустико-, гравитационных волн указывают на возможность эффективной генерации этих волн движущимися локализованными атмосферными объектами. По наблюдаемым характеристикам они дают возможность определить область локализации такого источника и направление его движения.
Подробный анализ дисперсионных характеристик акустико-гравитационных волн может быть использован при интерпретации наблюдаемых цугов волновых возмущений. Вывод о существовании прижатой моды с нулевой групповой скоростью на скачке температуры полезен при изучении свойств колебаний на частоте Вяйсяля-Брента в атмосферах Земли и Солнца.
Ряд результатов работы "выходит за рамки узко дисциплинарного исследования. В работе предложен и развит новый формализм нахожде-
ния решения задачи о собственных функциях и собственных значениях.
Исследование условий распространения волн в нензотермической атмосфере и полученные при этом точные аналитические решения дали возможность определить структуру поля низшей моды быстрой ветви акустико-гравитационной волны, для описания которой несправедливо приближение, геометрической оптики.
Некоторые результаты по теории образования полупрозрачных спорадических слоев Б, диффузных радиоотражений от мелкомасштабных неоднородностей Е слоя, а также по проблеме возникновения хаотических перемещающихся возмущений Г области использовались рядом авторов при интерпретации экспериментальных данных.
Основные защищаемые "научные положения.
-
Черенковское излучение акустико-гравитационных волн движущимися естественными и искусственными локализованными объектами имеет особенности, связанные с неоднородностью и анизотропией атмосферы. Эти свойства влияют на конфигурацию полей излучения и приводят к резонансному увеличению амплитуды генерируемых полей в определенном диапазоне частот и направлениях, зависящих от ориентации движения излучателя. При движении источника над жесткой границей раздела сред наряду с объемными волнами возбуждаются поверхностные волны Лэмба. При пересечении источником границы раздела двух атмосферных слоев возникает переходное излучение акустико-гравитационных волн.
-
При взаимодействии стационарного ветра с переменными во времени неоднородностями границы раздела сред возможна генерация акустико-гравитационных волн. Этим механизмом обусловлено возникновение среднемасштабных перемещающихся возмущений в области F ионосферы из-за наличия сильных ветровых сдвигов в области турбопаузы. Нестационарный ветер' приводит к уширению спектре излучения источника.
3. Наличие взаимопроникающих потоков нейтрального газа может
приводить к возникновению неустойчивости и к генерации звуковых
волн. Сильный нейтральный ветер в слабоионизованной ионосфере спо
собствует развитию неустойчивости, с которой связано образование
мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, вытяну
тых вдоль магнитного поля.
4. В окрестности температурного скачка структура поля акустико-
гравитационных волн представляет собой совокупность поверхностных,
прижатых и объемных волн. Вдоль границы раздела сред могут распро
страняться поверхностные волны на частоте Вяйсяля-Брента сак верх
ней, так и нижней среды. Они характеризуются выделенным горизон
тальным масштабом, скорость их распространения определяется скоро
стью звука. Для прижатой к границе волны на частоте Вяй
сяля-Брента в нижней среде характерно отсутствие возмущения давле
ния и горизонтальной скорости среды .Среди прижатых волн выделен
ное положение занимает возмущение на частоте Вяйсяля-Брента, имею
щее нулевую групповую скорость и вертикальный масштаб спадания, не
зависящий от поперечного волнового числа. В окрестности темпера
турного скачка в солнечной атмосфере частота и масштаб спадания
этих волн близки к величинам, типичным для спикул и ыакроспикул.
-
В неизотермической атмосфере представление высотного хода приведенной высоты атмосферы в виде отношения полиномов хорошо аппроксимирует экспериментальные результаты и позволяет найти точное решение для низшей собственной моды' быстрой ветви акустико-гравитационных волн. Граничное условие для собственной моды на верхней границе определяется высотным ходом температуры и амплитудой волны. Собственное значение, соответствующее низшей иоде, определяет предельную частоту акустико-гравитационных волн. В области падающих участков температуры структура поля медленной ветви акустико-гравитационных волн допускает простое аналитическое представление.
-
Эффективный механизм возникновения мелкомасштабных неодно-родностей электронной концентрации на высотах области Б ионосферы связан с турбулентностью нейтрального газа. Значение показателя, спектра флуктуации скорости турбулентных пульсаций зависит от состояния ионосферы. Форма спектра неоднородкостен влияет на тип радиоотражений отЕ слоя ионосферы. Интенсивность мелкомасштабной части спектра атмосферной турбулентности определяет ширину диапазона полупрозрачности спорадического слоя Е.
Апробация результатов. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на II, III и УІ Всесоюзных совещаниях по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад, 1979; Алма-Ата, 1981; Ашхабад, 1986), на Всесоюзном совещании по проблеме "Волновые возмущения" (Фрунзе, 1980), на Международном симпозиуме "Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера-термосфера" (Калуга, 1989), на II школе-семинаре "Dynamic and stochastic wave
phenomena" (Нижний Новгород, 1994), на ТУ и Y Генеральных ассамблеях Европейского Геофизического Союза (Гренобль, 1994; Гамбург, 1995), на II Мехдународной школе по физике космической плазмы (Нихний Новгород, 1995).
Публикации. По теме диссертации автором опубликована 35 работ в журналах и сборниках 11-35].
Объем и структура работы. Диссертацирнная работа содержит 262 страницы основного текста, 43 страницы с рисунками и таблицами. Список цитируемой литературы включает 259 наименований. Диссертация состоит иэ введения, иести глав и заключения.
