Введение к работе
Актуальность работы
Исследованиям атмосферной турбулентности посвящено большое количество как экспериментальных, так и теоретических работ [1-4]. В настоящее время завершенной теории турбулентности нет, но есть отдельные важные модели, среди которых можно отметить степенной колмогоровский спектр турбулентности для однородной и изотропной турбулентности [1, 2, 5], однако условия применимости таких моделей и представлений часто узки. Известно, что в крупномасштабных турбулентных процессах большую роль играют автономные перемещающиеся вихри, динамика и взаимодействие которых могут обеспечивать механизмы диссипации энергии, несовместимые с колмогоровской моделью. Такие вихри различных масштабов регулярно наблюдаются в атмосфере, они также вполне удовлетворительно моделируются в вычислительных экспериментах [6-8]. Кроме того, при исследовании турбулентности принципиально важны характерные времена наблюдений в их сравнении с временами развития соответствующих неустойчивых процессов.
Колмогоровское описание турбулентности в настоящее время считается общепризнанным в приложении к «инерционному интервалу» I0 < l < L пространственных масштабов l, такую турбулентность принято называть «развитой». Смысл внутреннего масштаба турбулентности I0 обычно считается вполне прозрачным - на нем происходит диссипация кинетической энергии макроскопического движения среды. Смысл внешнего масштаба инерционного интервала турбулентности L намного более неопределенный. Верхняя оценка L может быть сделана из физического смысла рассматриваемой задачи, например, как внешний размер рассматриваемой задачи. Для земной атмосферы, в частности, ясно, что L не может превышать высоты однородной атмосферы (~8 км). Обычно считается, что внешний масштаб турбулентности в приземном слое атмосферы определяется высотой исследуемой области L = Kz (K- постоянная Кармана, z - высота) [1]. Вместе с тем, такое рассмотрение задает лишь верхнюю границу внешнего масштаба. Вопрос определения внешнего масштаба L, таким образом, относится к области экспериментальной проверки, причем в экспериментах достаточно трудно оценить, насколько общий характер имеют получаемые результаты.
Отдельную сложность представляет вопрос о характере временной эволюции турбулентных неоднородностей, в частности, вопрос о времени развития турбулентности и соотношении этого времени с характерными временами атмосферных процессов, например, такими, как период внутренних гравитационных волн, которые могут быть связаны и с внешним масштабом турбулентности. В таких условиях экспериментальные исследования атмосферных процессов крайне важны как для развития теоретических представлений о турбулентных движениях, так и для решения практических задач метеорологии, предсказания погоды и обеспечения безопасности воздушных судов.
В тропосфере можно выделить несколько слоев, играющих большую роль в процессах переноса энергии [9-12]: слой перемешивания (высота до 0.5 - 1 км), слой условной неустойчивости (где образуются облака), занимающий интервал высот 1 - 2 км, и стабильный слой (выше 2 км). В слое перемешивания градиент потенциальной температуры близок к нулю. В этом слое наблюдается высокий уровень турбулентности. Несколько другая ситуация имеет место в слое условной неустойчивости, где потенциальная температура слабо растет с высотой, и основную роль играют процессы конвекции и внутренние гравитационные волны (ВГВ). Здесь во время летних антициклонов частота Бранта-Вяйселя близка к 0, и процессы конвекции, генерации и распространения ВГВ тесно взаимосвязаны. В соответствии с вышеотмеченным становится понятной проблема измерения профилей температуры в атмосфере, поскольку частота Бранта-Вяйселя непосредственно зависит от профиля
(д 2 gde gdT + g 2(g-1}) _
температуры (N = = 1 ). При этом желательно иметь
в dz T dz RT g
возможность получать профиль температуры во всем возможном диапазоне
высот вплоть до стратосферы. В стабильной области потенциальная
температура резко падает с высотой, и основные механизмы переноса энергии
могут быть связаны с распространением ВГВ, которые генерируются в более
низких слоях. Такая модель обычно используется при численном
моделировании тропосферных процессов. Таким образом, очевидно, что вопрос
распределения энергии в атмосфере, равно как и вопрос энергообмена
поверхности Земли, тропосферы и верхних слоев атмосферы, не может быть
рассмотрен без изучения вопросов распространения ВГВ.
По современным представлениям акустико-гравитационные волны играют важную роль в динамике атмосферы, в частности, в переносе энергии от поверхности Земли до ионосферных высот [13-15]. Для анализа проблемы распространения ВГВ в атмосфере традиционно используются два подхода: построение численных алгоритмов решения (см., например [16, 17]) с использованием послойного интегрирования для конечного числа изотермических слоев и поиск точных аналитических решений для модельных высотных профилей атмосферной температуры [18-21]. Между тем, эти методы сильно ограничивают возможности исследования реальной атмосферы.
Цели и задачи работы
Целью работы является:
экспериментальное исследование динамических процессов в атмосфере методами радиоакустического и акустического зондирования;
исследование свойств атмосферной турбулентности, основанное на сочетании натурных и вычислительных экспериментов;
моделирование процессов в нижней и средней атмосфере, связанных с распространением акустико-гравитационных волн.
Методы исследования
Основным методом исследования является дистанционное зондирование атмосферы, включающее в себя методы радиоакустического и акустического зондирования. Кроме того, проводится численное моделирование полной задачи распространения низкочастотных акустико-гравитационных волн в атмосфере.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем.
В экспериментальных исследованиях атмосферной турбулентности методом акустической локации развит подход, основанный на анализе статистических характеристик спектра рассеянного сигнала.
Анализ внутренней структуры рассеянного на атмосферной турбулентности акустического сигнала позволил уточнить представления о характере внутренних движений и структуре турбулентности в пограничном слое атмосферы.
Наличие большого массива экспериментальных данных, перекрывающих в ряде экспериментов большую часть светового дня, позволило проанализировать особенности и характеристики дневной эволюции атмосферной турбулентности.
Проведены эксперименты по электроакустическому зондированию атмосферы, подтвердившие возможность получения электрического отклика при акустическом воздействии на заряженные области атмосферы.
Предложена и протестирована методика исследования мезосферы радиоакустической локацией.
Разработан и применен численный алгоритм расчета акустических волновых полей от заданного источника в атмосфере с произвольными заданными профилями температуры и горизонтального ветра.
Научная и практическая значимость
Научная и практическая значимость работы состоит в следующем.
В экспериментах установлено, что статистические характеристики распределения импульсов рассеянного сигнала по ширине полосы (которая коррелирует с количеством пиков спектральной интенсивности в спектре рассеянного сигнала) тесно связаны с числом различных скоростей, которые могут иметь турбулентные неоднородности в объеме рассеяния. Это может указывать на то, что область рассеяния акустических волн состоит из небольшого числа крупномасштабных элементов («кластеров»), в каждом из которых мелкомасштабные неоднородности, ответственные за рассеяние, движутся приблизительно с одинаковой скоростью.
Измерения структурной функции для доплеровской частоты рассеянного сигнала показали, что начальный участок этой функции характеризуется степенной зависимостью с показателем степени близким к 2/3, который соответствует колмогоровской модели. В ряде сеансов, характеризующихся наличием квазипериодических колебаний частоты рассеянного сигнала (32% всех проведенных сеансов), на временах больше 3 минут четко видна квазисинусоидальная компонента с периодом от 5 до 10 минут.
Создана уникальная установка — геофизический комплекс «Сура-Саунд». Система позволяет проводить исследования тропосферы и нижней ионосферы методом радиоакустического зондирования, а также изучение атмосферного электричества методом электроакустического зондирования. Выбранный диапазон декаметровых волн качественно отличает систему от отечественных и зарубежных аналогов, работающих в метровом диапазоне. Оценки показали, что использование инфразвука существенно уменьшает влияние атмосферной турбулентности и позволяет поводить радиоакустическое зондирование до стратосферных высот 10 - 15 км. Кроме того, большие линейные размеры антенн радара увеличивают вероятность приема сигнала, которая в традиционных системах мала вследствие ветрового сноса «радиозеркала», образованного сферической волной звука.
Апробирована методика электроакустического зондирования атмосферы, которая позволяет проводить дистанционное зондирование электрических параметров нижней атмосферы в периоды электрической активности.
Разработан численный алгоритм, позволяющий свести задачу распространения акустических волновых полей к последовательному решению двух дифференциальных уравнений 1-го порядка, что сильно упрощает постановку граничных условий.
Результаты проведенных исследований использовались при выполнении проектов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 00-0217372, 01-02-16680, 02-02-31019, 04-02-16612, 04-02-26524, 05-02-16742), INTAS (проект 01-0456) и ведущей научной школы (грант №00-15-966674).
Основные положения, выносимые на защиту
-
-
Основанный на анализе статистических характеристик доплеровского смещения частоты рассеянного сигнала подход к исследованию атмосферной турбулентности с использованием акустического локатора.
-
Результаты исследования атмосферной турбулентности методом акустической локации — характер структурной функции скоростей и структура турбулентности в исследуемой области атмосферы.
-
Создание мощного низкочастотного звукового излучателя, позволяющего проводить воздействие на атмосферу инфразвуковыми волнами и радиоакустическую локацию тропосферы и мезосферы на предельно низких частотах (~9 МГц радиочастота и ~20 Гц акустическая частота) в составе геофизического комплекса «Сура-Саунд».
-
Результаты экспериментов по радиоакустическому зондированию мезосферы, продемонстрировавшие возможность измерения температуры нейтральной компоненты атмосферы на мезосферных высотах (~80 км).
-
Результаты экспериментов по электроакустическому зондированию атмосферы (измерение электрического поля на частоте звука), показавшие перспективность использования этой методики.
6. Алгоритм численного расчета параметров акустико-гравитационных волн, распространяющихся в неизотермической стратифицированной среде с горизонтальным ветром, зависящим от высоты, заключающийся во введении безразмерного волнового импеданса и численном решении нелинейного уравнения 1-го порядка типа Рикатти для него.
Апробация работы:
Результаты исследований по теме диссертации докладывались на ХХ Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, ННГУ, Нижний Новгород, Россия, 2-4 июля, 2002 г.; Всероссийской научной школе «Нелинейные Волны-2002», Нижний Новгород, Россия, 2-9 марта, 2002 г.; International Simposium in memory Professor Yuri Galperin «Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations», ИКИ РАН, Москва, Россия, 4-7 февраля 2003 г.; EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Nice, France, 6-11 April 2003; IUGG 2003 General Assembly, Sapporo, Japan, June 30 - July 11, 2003; VII Всероссийской конференции молодых ученых «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере», Нижний Новгород 2003 г.; EGU 1st General Assembly Nice, France, 25-30 April 2004; XXI Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн, МарГТУ, Йошкар-Ола, Россия, 2-4 июля 2005 г.; семинарах ФГБНУ НИРФИ.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 21 работе, из них 6 статей в рецензируемых журналах и 4 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских конференций.
Личный вклад автора
Во всех исследованиях, изложенных в работе, автор принимал непосредственное участие в постановке задач, выборе методов их решения и интерпретации результатов анализа. Автор принимал непосредственное участие в проведении эксперимента, участвовал в разработке методики анализа экспериментальных данных, создавал необходимое программное обеспечение, проводил отбор событий, обработку и анализ данных наблюдений. В процессе создания геофизического комплекса «Сура-Саунд» автор проводил расчет, моделирование и разработку низкочастотного акустического излучателя, принимал непосредственное участие в создании радара указанного комплекса, систем диагностики комплекса и проведении экспериментов на созданном комплексе. Моделирование задачи распространения акустико-гравитационных волн в атмосфере, а также все численные эксперименты, представленные в работе, выполнены лично автором.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю В.О.Рапопорту за постоянное внимание к работе и О.Н.Савиной за неоценимую помощь, а также Н.А.Митякову, В.А.Зиничеву, Ю.А.Сазонову, Г.П.Комракову, Н.С.Беллюстину и М.Парро за плодотворное сотрудничество. Структура и объем работы
Работа состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка цитируемой литературы и Приложения. Диссертация содержит 41 рисунок, 4 таблицы и список из 90 библиографических наименований. Общий объем диссертации 121 страница.
Похожие диссертации на Исследования динамических процессов в атмосфере методами акустического и радиоакустического зондирования
-
