Развитие радиофизических методов исследования внутренних гравитационных волн в атмосфере Земли и планет

Внутренние гравитационные волны (ВГВ) модулируют структуру и циркуляцию атмосферы Земли, производя квазипериодические вариации скорости ветра, температуры и плотности в атмосфере. Поскольку ВГВ является характерной особенностью стабильно стратифицированной атмосферы, то аналогичные эффекты можно ожидать на Венере и Марсе. В этом контексте нами разработан оригинальный метод для определения параметров ВГВ на основе анализа измерений вертикального профиля температуры или плотности в атмосфере планеты [1–4]. Метод не требует какой-либо дополнительной информации не содержащейся в профиле и может быть использован для анализа профилей, полученных разными способами. Сформулирован и обоснован критерий идентификации ВГВ. В случае, когда этот критерий удовлетворяется, анализируемые флуктуации температуры или плотности идентифицируются как волновые проявления. Метод основан на анализе относительных амплитуд волнового поля и на положении линейной теории насыщенных ВГВ, согласно которому эти амплитуды ограничиваются процессами динамической (сдвиговой) неустойчивости в атмосфере. Предполагается, что когда амплитуда внутренней гравитационной волны достигает порога сдвиговой неустойчивости, то диссипация энергии происходит таким образом, что амплитуда ВГВ поддерживается на уровне этого порога по мере распространения волны вверх. Мы расширили разработанную в [1] методику с целью реконструкции полного набора характеристик ВГВ, включая такие важные параметры, как плотность кинетической и потенциальной энергии волн, потоки энергии и горизонтального импульса ВГВ [2]. Предлагается также альтернативный метод оценки относительных волновых амплитуд и определения параметров ВГВ из анализа возмущений квадрата частоты Брента-Вяйсяля [2,4]. Применение разработанного метода к радиозатменным данным о температуре дало возможность идентифицировать ВГВ в атмосферах Земли, Марса и Венеры и определить величины ключевых волновых характеристик таких как собственная частота, амплитуда вертикальных и горизонтальных возмущений скорости ветра, вертикальная и горизонтальная длина волны, собственная вертикальная и горизонтальная фазовая (и групповая) скорость, кинетическая и потенциальная энергия на единицу массы, вертикальные потоки энергии и горизонтального импульса волн. Приведены и обсуждаются результаты волнового анализа температурных данных радиозатменных миссий CHAMP и COSMIC (Земля), Mars Global Surveyor (Марс), Венера 15 и 16, Magellan и Venus Express (Венера).
Совместная американо-тайваньская спутниковая миссия Formosat-3/COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate) состоит из группировки шести малых спутников, каждый из которых имеет четыре GPS-антенны и вращается вокруг Земли по низкой орбите с высотой около 800 км. Демонстрация особой важности радиозатменных измерений при решении задач улучшения оперативного численного прогноза погоды (NWP) является главной научной целью миссии, стартовавшей в апреле 2006 г. Улучшение прогноза погоды может быть достигнуто путем усвоения в имеющихся NWP-моделях данных об атмосферных параметрах, полученных в режиме практически реального времени. Указанные данные включают поля плотности, температуры, давления и относительной влажности в атмосфере. Анализ географических и сезонных распределений атмосферных параметров необходим для понимания процессов переноса энергии и импульса, а также для выяснения ответной реакции полярной атмосферы на глобальное потепление. Последняя задача представляется особенно важной, поскольку полярные регионы очень чувствительны к изменениям глобальной температуры и это может быть главной причиной поднятия уровня Мирового океана. Нами проведен статистический анализ активности ВГВ в полярных районах атмосферы Земли, расположенных на широтах более 60°. С этой целью использовались радиозатменные данные о температуре миссии Formosat-3/COSMIC, собранные за период измерений с июля 2006 г. по март 2009 г. Определены и проанализированы географические и сезонные распределения потенциальной энергии ВГВ (индикатор волновой активности) в интервале высот от 15 до 35 км. Полученные результаты демонстрируют высокую волновую активность полярной атмосферы в зимний и весенний периоды. Максимумы потенциальной энергии ВГВ в атмосфере Арктики и Антарктики наблюдаются зимой и весной, соответственно. Потенциальная энергия волн увеличивается с высотой в атмосфере обоих полушарий Земли вплоть до 35 км. В Антарктике, внутренние волны с большой потенциальной энергией обнаруживаются в атмосфере над Антарктическим полуостровом. В Арктическом регионе, повышенная волновая активность наблюдается, главным образом, над северной Атлантикой (Исландия) и над Скандинавией. Представлены и обсуждаются результаты анализа волновой активности и влияющих на нее факторов в полярной стратосфере Арктики и Антарктики.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы №22 Президиума РАН и гранта РФФИ №13-02-00526-а.
Список литературы
1. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Andreev V.E. Determination of the intrinsic frequency and other wave parameters from a single vertical temperature or density profile measurement // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. № D08109, doi:10.1029/2007JD008920.
2. Gubenko V.N., Pavelyev A.G., Salimzyanov R.R., Pavelyev A.A. Reconstruction of internal gravity wave parameters from radio occultation retrievals of vertical temperature profiles in the Earth’s atmosphere // Atmos. Meas. Tech. 2011. V. 4. № 10. P. 2153–2162, doi:10.5194/amt-4-2153-2011.
3. Губенко В.Н., Павельев А.Г., Салимзянов Р.Р., Андреев В.Е. Методика определения параметров внутренней гравитационной волны по измерению вертикального профиля температуры или плотности в атмосфере Земли // Космич. исслед. 2012. Т. 50. № 1. С. 23–34 .
4. Губенко В.Н., Кириллович И.А., Павельев А.Г. Характеристики внутренних волн в атмосфере Марса, полученные на основе анализа вертикальных профилей температуры миссии Mars Global Surveyor // Космич. исслед. 2014. Т. 52 (в процессе опубликования).