Внутренние гравитационные волны и их активность в атмосферах Марса и Сатурна по данным экспериментов ACS/TGO и UVIS/Cassini

Внутренние гравитационные волны (ГВ) - распространение волновых колебаний в атмосфере, возникающих вследствие смещения равновесия между силой тяжести и силой Архимеда (плавучести). ГВ переносят энергию и импульс, влияя на общую динамику атмосферы планеты. В нашей работе мы рассматриваем параметры ГВ [1] и их высотные распределения в атмосферах Марса и Сатурна.
В данном исследовании ГВ выявляются из высотных профилей температуры. На Марсе используются данные, полученные из эксперимента по солнечному просвечиванию, выполняемому российским комплексом спектрометров Atmospheric Chemistry Suite (ACS) [2] на борту аппарата Trace Gas Orbiter (TGO), который является частью европейско-российской миссии ExoMars 2016 и начал свою работу в апреле 2018 года. Он состоит из трех спектрометров ближнего – NIR (0.73-1.6 мкм), среднего – MIR (2.3-4.2 мкм) и теплового – TIRVIM (1.7-17 мкм) инфракрасного диапазона. В данной работе используются данные каналов MIR и NIR. Оба прибора позволяют восстанавливать вертикальные профили температуры и плотности по спектрам пропускания в полосах поглощения углекислого газа CO2 в диапазоне высот – 10-180 км (MIR) [3], 10-100 км (NIR) [4]. Представленный объем данных охватывает наблюдения за три Марсианских года (MY) с середины MY34 (апрель 2018) по конец MY37 (ноябрь 2024). Объем данных насчитывает около 1100 сеансов солнечных затмений для канала MIR и около 12300 сеансов для NIR.
В эксперименте исследуются такие параметры, как амплитуда, потенциальная энергия, ускорение ГВ, а также вертикальный поток горизонтального импульса.
Выводы сделанные на основе исследования атмосферы Марса: наблюдается симметричное распределение активности волн в сезоны равноденствий, а также смещение максимума активности в зимнее полушарие в периоды солнцестояний. Максимум ускорения ГВ совпадает с зонами слабого зонального ветра на краях сезонных зональных потоков, смоделированных с помощью модели MAOAM Martian general circulation model (MGCM) [5]. Кроме того, увеличенная активность ГВ наблюдалась во время глобальной пылевой бури (в MY34) на Марсе на больших высотах в регионе северных полярных широт и на низких высотах южных полярных широт [6]. Также исследовался вопрос разрушения ГВ. Для всех высот наблюдается четкая антикорреляция между коэффициентом разрушения волн β и средней температурой. Антикорреляционная зависимость между амплитудой ГВ и средней температурой наблюдается только в регионе мезопаузы, что говорит о том, что конвективная неустойчивость атмосферы как механизм разрушения волн, вероятно, преобладает только в этом регионе [7].

Для исследования ГВ в атмосфере Сатурна берутся данные канала экстремального ультрафиолета EUV (Extreme UltraViolet) спектрометра Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVIS) [8], который являлся частью миссии Cassini, работавшей на орбите Сатурна с 1 июля 2004 года по 15 сентября 2017 года. В данной работе используются данные с последней части миссии, носящей имя Grand Finale, когда аппарат пролетел 22 орбиты, проходящие между Сатурном и его кольцами (апрель - сентябрь 2017 г.). Спектрометр работал в режиме звездного просвечивания и измерял полосы поглощения водорода Лаймана и Вернера (91.1-118 нм).
При исследовании атмосферы Сатурна были сделаны выводы: ГВ с вертикальной длиной 100 км наблюдаются на всем исследуемом промежутке термосферы: от 600 до 1600 км над уровнем давления 1 бар. При этом, амплитуда волн преимущественно 20-40 К, а в некоторых наблюдениях превышает 50 К. Потенциальная энергия ВГВ на единицу массы достигает значений 5*10^4 Дж/кг, вертикальный поток горизонтального импульса (на единицу массы) - 2000 м^2/сек^2. Ускорение достигает порядка 100 м/сек/день [9].
Исследование выполняется при поддержке гранта РНФ № 25-22-00494, https://rscf.ru/project/25-22-00494/