Насыщенные внутренние волны в атмосфере Марса по данным анализа радиозатменных измерений

Волновые процессы оказывают значительное влияние на циркуляцию, химический состав и тепловой режим атмосферы Марса. Важная роль внутренних гравитационных волн (ВГВ) связана с обеспечением ими эффективного механизма переноса энергии и горизонтального импульса из нижних уровней атмосферы на верхние. Источником генерации ВГВ в атмосфере планеты могут являться: тепловые контрасты вблизи поверхности, топография, сдвиговая неустойчивость ветра, конвекция и фронтальные процессы. В атмосфере Земли в отсутствие диссипации энергии, амплитуда волновых возмущений скорости ветра или температуры растет примерно экспоненциально с увеличением высоты и поэтому возмущения с малой амплитудой вблизи поверхности могут производить значительные эффекты на больших высотах, где происходит обрушение волн и передача их энергии и горизонтального импульса в невозмущенный поток. Поскольку внутренние гравитационные волны являются характерной особенностью устойчиво стратифицированной атмосферы [1–3], то аналогичные эффекты можно ожидать и в атмосфере Марса или Венеры [4, 5]. Полагают, что внутренние волны могут играть более важную роль в формировании циркуляции, теплового режима и структуры атмосферы на Марсе, чем на Земле, так как во многих случаях волновые амплитуды в атмосфере Марса оказываются существенно больше своих земных аналогов [6].
Нами разработан новый метод идентификации узкоспектральных (дискретных) волновых событий и определения характеристик внутренних волн на основе анализа вертикального профиля температуры, плотности или квадрата частоты Брента-Вяйсяля в атмосфере планеты [1–4]. Этот метод является универсальным в том смысле, что его можно применять для анализа вертикальных профилей, полученных любыми способами как в атмосфере Земли, так и в атмосфере Венеры или Марса. Сформулирован и обоснован пороговый критерий идентификации ВГВ, в случае выполнения которого анализируемые флуктуации могут рассматриваться как волновые проявления. Применение разработанного метода к анализу вертикальных профилей температуры, восстановленных из радиозатменных измерений миссии MARS GLOBAL SURVEYOR, дало возможность идентифицировать волновые события в атмосфере Марса и определить величины ключевых волновых характеристик, таких как собственная частота, амплитуды вертикальных и горизонтальных возмущений скорости ветра, вертикальная и горизонтальная длина волны, плотность кинетической и потенциальной энергии, вертикальные потоки волновой энергии и горизонтального импульса [4]. В атмосфере планеты над районом Фарсиды нами впервые была идентифицирована полностью насыщенная внутренняя гравитационная волна, степень насыщения которой составляет не менее 95%. Обнаруженные в атмосфере Марса волны с вертикальной длиной 4.5–8.2 км являются волнами с низкими собственными частотами, близкими к инерционной частоте, а их кинетическая энергия, как правило, на порядок превышает потенциальную энергию. Распространение этих волн обусловливает значительную модуляцию вертикальной стабильности атмосферной стратификации, что приводит к сдвиговой неустойчивости и возникновению тонких слоев перемежающейся турбулентности в атмосфере Марса.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Проекта 5.4 «Исследование слоистых структур, турбулентности и внутренних волн в атмосферах Земли и планет по данным анализа радиозатменных и зондовых измерений» Программы 7 Президиума РАН «Экспериментальные и теоретические исследования объектов Солнечной системы и планетных систем звезд. Переходные и взрывные процессы в астрофизике».