ВВЕДЕНИЕ
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
1. Разработать методы и алгоритмы решения нестационарных трехмерных нелинейных уравнений динамики атмосферы с корректным учетом граничных условий и численного представления решения в высокоширотных областях.
2. 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.
3. Разработать нестационарную трехмерную модель распространения в средней атмосфере крупномасштабных возмущений тропосферы (планетарных волн - КПВ) с учетом их нелинейного взаимодействия между собой и фоном.
4. 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.
5. 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:
1. Математическую постановку задачи — выбор замкнутой для каждой конкретной задачи системы уравнений, учитывающей все основные процессы; формулировку начальных и граничных условий.
2. Разработку методов и алгоритмов численного решения выписанной системы уравнений, программную реализацию.
3. 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
1. 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.
2. Предложена новая постановка верхнего граничного условия для вертикальной скорости ветра в метрической системе координат.
3. Разработаны оригинальные численные нестационарные трехмерные модели циркуляции (WSMT) и распространения крупномасштабных планетарных возмущений с учетом нелинейного взаимодействия планетарных волн между собой и фоном (MTPW).
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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,.рддачах прогнозирования состояния среднеширотной ионосферной плазмы: Отчет о НИР
(закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 81082291. - Новосибирск, 1983.-128 с.
2. 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.
3. Создать модель термосферной циркуляции: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - № ГР 01860073922. -Новосибирск, 1988. - 83 с.
4. Разработать численную глобальную (многоуровневую) модель циркуляции средней и верхней атмосферы: Отчет о НИР (закл.)/ ЗапСибНИИ Госкомгидромета.-№ ГР 01870049358.- Новосибирск, 1998. - 34 с.
5. 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:
1. 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.
2. 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.
3. 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-
10
ли WSMT рассмотрен в работах [110, 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 реалистичными 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 атмосферы, 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-
11
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 тро-посферно - 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-
12
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.
13
Глава 1
НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЦИРКУЛЯЦИИ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
В начале главы обсуждается современное состояние исследований термосферы. Проведенный анализ показывает, что: 1) экспериментальных данных по ветровым системам недостаточно для построения адекватной эмпирической модели термосферных ветров, 2) численная реализация современных глобальных термосферно-ионосферных моделей циркуляции (TIGCM) находится на пределе возможностей для самых быстродействующих ЭВМ. Более того, отсутствие физически обоснованных отдельных блоков модели (динамики, теплового режима, состава, электрических полей и т.д.) делает проблематичным их использование в качестве климатических моделей общей циркуляции термосферы.
Это приводит к необходимости построения моделей циркуляции на базе статистически обоснованных эмпирических моделей атмосферы и разработки численных методов их реализации. На основе созданной модели проведено исследование термосфер ной циркуляции для различных гелиогеофизических условий.
1.1 Эмпирические данные и модели термосферы
В области термосферы огромный фактический материал относится в основном к измерениям параметров нейтральной термосферы, таких как состав, плотность, температура (см., например, Щепкин и Климов [61]). Этот экспериментальный материал систематизирован в виде различных эмпирических моделей термосферы, среди которых отметим: J77 [134], DTM [66], MSIS86 [119], MSIS90 [121]. Это позволило выделить наиболее существенные типы вариаций параметров термосферы: изменения в 11-летнем цикле солнечной активности, годовые и полугодовые вариации, суточные, широтные и долготные изменения, зависимость от геомагнитной активности. В эмпирических моделях термосферы предполагается, что выше уровня турбопаузы концентрации газовых компонентов щ распределены по барометрическому закону. По принципу построения модели можно разделить на две группы.
Первая группа - это модели Яккия. Каждая из моделей этой группы состоит из двух частей: первая описывает основную статическую часть,
14
вторая дает различного рода вариации в виде поправок к статической части. Остановимся на модели J77, которая является развитием всех ранее созданных моделей Яккия. Ее экспериментальной базой в верхней термосфере явились не только данные по торможению спутников, собранные за большой промежуток времени (с 1958 по 1975 гг), но также и результаты масс-спектрометрических измерений на ИСЗ. В модели начальной границей диффузионного распределения концентраций щ принята высота 100 км. Считается, что между 90 и 100 км изменение среднего молекулярного веса т происходит за счет диссоциации Оч- В этом интервале высот по известным профилям т(Л) и T{h), интегрированием барического уравнения, находится плотность р(Л). Концентрации щ пересчитываются из величины общей концентрации по известным объемным содержаниям <&. Найденные высотные профили [О] и [Oq\ корректируются с целью их согласования с результатами измерений в комплексном эксперименте АЛЛАДИН. Полученные значения щ на 100 км служат граничными условиями для уравнений диффузионного равновесия в вышележащей области термосферы. В модели учитывается то обстоятельство, что суточные вариации концентраций щ имеют для каждого газового компонента свою фазу, изменяющуюся с высотой, в то время как максимум суточного хода плотности р с высотой не изменяется. Для описания такой картины в модели для каждого газового компонента (кроме водорода) вводится свой аналог экзосферной температуры -"псевдотемпература" и, следовательно, высотный профиль температуры по которому рассчитывается из уравнения диффузионного равновесия концентрация щ.
Вторая группа моделей основана на разложении опорных параметров для расчета температуры и концентраций газовых компонентов атмосферы в ряд по сферическим гармоникам; В этих моделях высотный профиль температуры задается выражением
Т(Л) = Гоо - (Too - То) ехр(-<7Из уравнения диффузионного равновесия для концентраций получаем
= пю (T0/T(h))l+Qi+^ exp(-c77i№, Ло)).
Здесь Tqo - экзосферная температура, Tq = Т(Ло), a - параметр, характеризующий скорость изменения температуры с высотой на уровне ho,
=-(Л - Ло) (RE + ho)/{RE + Л),
15
RgToo, Re - радиус Земли, Rg - универсальная газовая постоянная, до - гравитационное ускорение на высоте ho, mi - молекулярный вес г - го компонента, оц - коэффициент термодиффузии, отличный от нуля для водорода и гелия. Параметры Т^, То, а, Що представлены выражениями типа: Т^ = (Т^) G^, ... , щ0 = {що) exp(G* - 1), где величины в угловых скобках есть их глобальноосредненные значения. Функции G представлены разложением по сферическим гармоникам и характеризуют разнообразные вариации параметров термосферы.
В модели DTM нижняя граница расположена на высоте ho = 120 км. Модель рассчитывает распределения температуры и концентрации Не, О, N2, 02 при постоянных значениях То = 380, а = 0,02, [02(/io)] = 4,775 • 1010 см"3.
В настоящее время MSIS86 - это наиболее полная эмпирическая модель термосферы. По сравнению с предшествующими моделями MSIS и MSIS83 эта модель дополнительно к концентрациям Н, Не, О, N2 и. 02 позволяет рассчитывать концентрацию атомарного азота N, нижняя граница модели опущена до высоты 85 км. Источниками данных для этой модели послужили различные измерения на ракетах, спутниках (OGO-6, San Marco, Aeros-A, AE-C, AE-D, AE-E, ESRG-4, DE-2) и данные станций некогерентного рассеяния радиоволн: Миллстоун-Хилл, Сент-Сантин, Аресибо, Джикамарка, Малверн. Так как модель захватывает высоты нижней термосферы, где на высотное распределение газовых компонентов определяющее влияние оказывают процессы перемешивания, то окончательные профили концентраций нейтральных частиц находятся путем плавного перехода от значений, рассчитанных при условии полного перемешивания, к рассчитанным из уравнения диффузионного равновесия при условии равенства концентраций в этих двух случаях на уровне турбопаузы.
Модель MSIS90 описывает распределение температуры и концентраций компонентов атмосферы от поверхности Земли до экзосферных высот. Ниже 72,5 км модель основана на среднезональных данных температуры и давления, представленных в работе [69]. Ниже 20 км эти данные были дополнены данными Национального Метеорологического Центра (NMC) и дополнительными измерениями, выполненными с использованием трубки Пито, падающих сфер и на ракетах. Выше 72,5 км MSIS90 по существу является пересмотренной моделью MSIS86.
В различных эмпирических моделях термосферы имеется разброс в значениях идентичных параметров, так как рассматриваемые модели
16 |
