Исследования внутренних волн в атмосферах Земли и планет по радиозатменным данным

Внутренние гравитационные волны (ВГВ) модулируют структуру и циркуляцию атмосферы Земли, производя квазипериодические вариации скорости ветра, температуры и плотности. Поскольку ВГВ является характерной особенностью стабильно стратифицированной атмосферы, то аналогичные эффекты можно ожидать на Венере и Марсе. В этом контексте нами разработан новый метод для определения параметров ВГВ из измерения вертикального профиля температуры 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 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 методику, разработанную в [1], с целью реконструкции полного набора характеристик ВГВ (включая такие важные параметры, как кинетическая и потенциальная энергия волн, а также потоки энергии и горизонтального импульса ВГВ) из анализа возмущений температуры в вертикальном профиле [2]. Нами также предлагается альтернативный метод оценки относительных волновых амплитуд и определения параметров ВГВ из анализа возмущений квадрата частоты Брента-Вяйсяля [2,4]. Применение метода к радиозатменным данным о температуре дало возможность идентифицировать дискретные волновые события в атмосферах Земли, Марса и Венеры и определить величины ключевых волновых параметров, 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, 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, Venus Express (Венера).
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы №22 Президиума РАН и гранта РФФИ № 13-02-00526-а.
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., Салимзянов Р.Р., Андреев В.Е. Характеристики внутренних волн в атмосфере Марса, полученные на основе анализа вертикальных профилей температуры миссии Mars Global Surveyor // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 6 (в печати).