Расчет коэффициента турбулентной диффузии по спутниковым измерениям температуры

Внутренние гравитационные волны, генерируемые в нижней атмосфере, играют важнейшую роль в динамике средней и верхней атмосферы, обеспечивая перенос энергии и импульса из тропосферы в верхние слои. Распространяясь вверх, ВГВ достигают больших амплитуд в верхней мезосфере и нижней термосфере, где они становятся динамически неустойчивыми. В результате разрушения этих волн развиваются интенсивные турбулентные процессы, которые оказывают существенное влияние на газовый состав малых составляющих и тепловой баланс верхней атмосферы [1, 2]. В глобальных численных моделях верхней атмосферы критически важен корректный учет влияния этих турбулентных процессов. В частности, коэффициент турбулентной диффузии является фундаментальной характеристикой, количественно описывающей эффективность перемешивания атмосферных газов и переноса энергии и импульса турбулентными вихрями, что в значительной степени определяет тепловой и динамический режим нижней термосферы.
В работе предложен адаптированный метод расчета скорости диссипации турбулентной кинетической энергии (ТКЭ) и коэффициента турбулентной диффузии по вертикальным профилям температуры, полученным с помощью прибора SABER на борту спутника TIMED. Для вычисления коэффициента турбулентной диффузии по возмущению температуры от внутренних гравитационных волн, без привлечения данных о ветре, предлагается модификация метода, основанного на масштабе Торпа. Данный подход базируется на выявлении областей конвективной неустойчивости и опрокидывании стратификации. Связь между коэффициентом турбулентной диффузии и параметрами турбулентности устанавливается на основе модели Осборна через скорость диссипации ТКЭ и частоты Вяйсяля-Брента [3, 4].
В качестве практического применения рассчитаны скорости диссипации турбулентной кинетической энергии и коэффициент турбулентной диффузии в мезосфере и нижней термосфере в декабре 2024 года в период прохождения тропосферного метеорологического шторма «Зиф» над Балтийским морем. Проанализирована пространственно-временная динамика турбулентного перемешивания в отклик на данное событие. Полученные результаты позволяют повысить точность оценки коэффициента турбулентной диффузии и обосновать его параметризацию для дальнейшего корректного учета в глобальной самосогласованной модели термосферы, ионосферы и протоносферы.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25–27-00213, https://rscf.ru/project/25-27-00213/.