Введение к работе
I Актуальность темы
Атмосферная динамика является объектом пристального внимания фундаментальных и прикладных разделов физики. Волны з атмосфере постоянно регистрируются и классифицируются. Связь атмосферных волнений и событий на Земле, очевидно, взаимная. Ока может быть опосредованной - известно, что низкочастотные гравитационные волны 'вызывают перемещающиеся ионосферные возмущения, с которыми связывают ряд явлений, наблюдаемых на Земле.
В последние годы сделано много попыток описания крупномасштабных, глобальных возмущекий атмосферы, поскольку они, очевидно, играют важнейшую роль во взаимодействии геосфер. В метеорологами используются алгоритмы расчета крупномасштабных гидродинамических полей , но до последнего времени они имели существенный недостаток - использовали гидростатическое приближение Сто есть вертикальное ускорение газа игнорировалось). Расчетов распространения мощных локализованных возмущений на значительные расстояния от источника и в больших толщах атмосферного газа С з реалистичной модели атмосферы) , дающих понятие как о низко-, так и высокочастотной составляющих спектра, проведено не было. Ранее были проведены некоторые расчеты глобальных атмосферных возмущений, вызванных протяженными источниками - азроральнсй электрсстру-ей, например. Расчеты возмущений от локализованных источников осложнены тем, что модель источника требует мелкой сетки для ее реализации и совершенно иных принципов расчета, чем модель глобальных возмущений, генерируемых этим источником. Для описания глобальных возмущений нужна достаточно крупная сетка.
- A -
Расчеты возмущений от локализованного источника могут дать отзет на фундаментальные вопросы - о совместном влиянии вязкости и теплзпрозодиости на зояновсе дзижениэ, о влиянии на него конфигурации возмущения и т.д. Практический интерес предстазляют собой прогнозы возмущений з данной точке, а также характерные скорости распространения цугов волн от возмущения данного типа. По данным расчета, охватывающим значительный промежуток времени, эффективным оказьюается прогнозировать нкссферкые «денчя. Поскольку имеются барограммы наземного волнения от некоторых источников, то сравнение с наблюдениями также обеспечено.
Из линейной теории динамики атмосферы следуют некоторые выводы, имеющие самостоятельное значение, даже для хорошо изученной модели одномерной изотермической атмосферы. Оказывается, можно подобрать - такие локализованные начальные условия, которые зызовут волну, бегущую з одном направлении - взерх или вниз. Можно спроецировать в любой момент времени золновое движение на три независимые части, распространяющиеся в разных направлениях и стационарную; для этого построены специальные операторы проецирования. Такая задача имеет практические приложения с точки зрения априорной оценки доли волновой энергии, приходящейся на волну выбранного направления для данного источника, а также специального выбора начального условия нужной конфигурации.
Таким образом, вносится посильный вклад в пополнение теории атмосферных золн, ее конкретизации для ряда наиболее практически и жизненно важных для человека проблем.
-o-
Оскозная цель работы
Настояная диссертационная работа посвящена детальному изучению некоторых аспектов крупномасштабной динаміки атмосферного движения при моцксм импульсном локализованном энергозыделении в атмосфере, а также динамики изотермической одномерной атмосферы с точки зрения однонаправленных и стационарной составляющих волнового движения.
Целью работы является: 1) развитие линейной теории эволюции одномерной экспоненциально стратифицированной по плотности модели атмосферы, а именно:
а)получение интегральных связей для начальных возмущений газодинамических переменных, вызывающих однонаправленные волны,
б)построение примера начального условия, вызывающего однонаправленную волну, и апробация результатов путем численного эксперимента, з тем числе и з существенно нелинейной области,
з)получение проекционных оператороз в явном виде, создание методики проецирования зелнового дзижения на разнонаправленные и золновую составляющие в любой момент времени; использование методики проецирования для получения нелинейных поправок в эволюционном уравнении для направленных составляющих волнового движения;
2)исследование с помощью численных расчетов по адаптированной программе глобальных возмущений, ионосферных эффектов в атмосфере Земли, вызванных мощными локализованными источниками, детальное изучение их характерных особенностей, сравнение с данными наблюдений. Исследование глобальных возмущений атмосферы Марса, вызванных некоторыми лока-
лизозанными источниками.
Еклад автора в полученные результаты
Настоящая работа, за исключением части, касавшейся теоретических аспектов распространения волн в изотермическая одномерной атмосфере и их апробации, является частью НИ?, вьшолнекной в коллективе авторов. Конкретный вклад автора заключается в следующем:
-
вывод формул связи начальных условий, проверка направленности волнового движения в существенно нелинейной области амплитуд начального зозмущения;
-
применение методики проецирозания движения на разнонаправленные золны и стационарную составляющую; вывод проекционных операторов; получение нелинейных поправок в эволюционном уравнении для направленных золн;
-
собственно расчеты глобальных возмущений атмосфер Земли у. Марса при импульсном локализованном энерговыделекии; обработка и интерпретация полученных результатов.
Автор приносит искренняя благодарность к.ф.-м.н. В. 5. Шувалову за предоставленный набор начальных данных и постоянное внимание к работе, к.ф.-м.н. СП. Кшезецкому за разработку адаптированного алгоритма расчета, к. ф.-м.н. И. В. Карпову за ионосферную интерпретацию полей газодинамических переменных.
Научная новизна работы
Материалы диссертации обладают достаточно высокой научной новизной, основные элементы которой следующие: 1) внедрение техники проецирования волнового движения на три независимые составляющие (различающиеся по направлениям
распространения, а не по дисперсионным соотношениям, как было принято ранее), демонстрация получения нелинейных поправок с помощью этой техники; вызод проекционных операторов в явном виде - для дзижения з модели одномерной изотермической атмосферы. Обобщение предсказаний линейной теории С в смысле направленности возмущений, вызванных сконструированными специальным образом начальным:! условиями) на существенно нелинейную область. Наконец, вызод формул связи для начальных условий, вызывающих направленную волну.
2) Впервые подробно исследованы механизмы глобальной генерации акустико-гравитационных волн при мощных локализованных энерговыделениях. Рассмотрены характерные особенности волнового движения зо всей атмосферной толще Земли, на значительном удалении от источника. Расчеты дают возможность детально прогнозировать наземные и высотные атмосферные явления - в том числе ионосферные. Впервые проведены пробные расчеты АТд от взрыва метеорита в атмосфере Марса.
Практическая значимость работы
Предложенную в настоящей диссертации методику разделения волнового движения на направленные и стационарную составляющие, очевидно, можно широко применять в практических целях. Прежде всего, это априорные оценки доли полной волкс-вой энергии, приходящейся на каждую составляющую для конкретного . возмущения, и возможность нужным образом подбирать конфигурацию возмущения при данной энергии для преимущественного движения энергии в нужном направлении - вверх или вниз. Априорные'оценки можно сделать и для цилнндрически-снмметрич-
ноге возмущения в изотермической модели атмосферы. Очевидна практическая значимость детальных исследований возмущений земне?, атмосферы, высланных модными локализованными источниками - в смысле прогнозоз .и интерпретации реальных атмосферных волнений и ионосферных эффектов. Что касается возмудений атмосферы Марса, то эта задача имеет чрезвычайный практический интерес в свете последних спутниковых исследований. Низкочастотные волны в атмосфере Марса и вызываемый: ими ионосферные возмущения могут надежно регистрироваться в процессе дискретных измерений спутника. Очевидно, прогнозы, данные расчетами, способны ответить на вопросы о происхождении, энергетике и типе источников возмущения марсианской атмосферы.
Апробация работы
Материалы диссертации представлялись . автором в виде докладов на XXIII и XXIV конференциях профессорско - преподавательского состава, научных сотрудников и студентов КГУ в 1991 л 1992 году, на Всесоюзной конференции по проблемам стратифицированных течений в Каневе в 1991 году. Апробация работы также проведена на Международном симпозиуме "День дифрахции-92" в Санкт-Петербурге в 1992 году, а также на семинарах кафедры теоретической физики КГУ и Института Динамики Гессфер РАК в 1991 и 1992 годах.
Структура и объем работы
Настоящая диссертация состоит из введения, четырех'глав и заключения. Объем диссертации 9 страниц текста, Э' страниц иллюстрация и страниц библиографии, включающей работы российских и зарубежных авторов.