Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Моделирование атмосферных акустико-гравитационных волн при некоторых локализованных возмущениях взрывного типа

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Моделирование атмосферных акустико-гравитационных волн при некоторых локализованных возмущениях взрывного типа"

РГ6 00

РОССИЙСКАЯ АШЕГС'-Я НАУК

1 5 MAR 1SS3 институт динамики геосфер

На правах рукописи Переломова Анна Аскольдовна

УДК 551;4В + 551.51

моделирование атмосферных акустико-гравитационных волн при некоторых локализованных возмущениях взрывного типа

04.00.22 -ГЕОФИЗИКА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1993

Работа выполнена в Институте Динамики Геосфер РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических-наук О.В. Руденко кандидат физико-математических каук В. П. Кудрявцев

Ведущая организация: Институт Физики Атмосферы РАН

Защита диссертации состоится " ". , 1ддз г.

з.......час......мин. в аудитории.............на заседании

Специализированного совета по геофизике СР\Р ООН. 54. 01 ) 3 ¡Институте Динамики Геосфер РАН

Адрес: Москва, Ленинский пр., д. 38, стр. 6.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Динамики Геосфер РАН

Автореферат разослан "¿.6 т.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат

физико-математических наук А. Калмыков

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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. Она 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 возмущений атмосферы, поскольку они, очевидно, играют важнейшую роль во взаимодействии геосфер. В метеорологиии 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 Сз 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 электроструей, 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.

- А ~

Расчеты возмущений от локализованного источника могут дать отзет на фундаментальные вопросы - о совместном влиянии вязкости и теплопрозодкости на зоянозое дзижениэ, о влиянии на него конфигурации возмущения и т.д. Практический интерес представляют 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 ннссферные делений. 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 образ;м, вносится посильный вклад в пополнение теории атмосферных волн, ее конкретизации для ряда наиболее практически и жизненно важных для человека проблем.

- о -

Основная цель работы

Настоящая диссертационная работа посвящена детальному изучению некоторых аспектов крупномасштабной динамики атмосферного движения при мощном 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,

в)получение проекционных операторов в явном виде, создание методики проецирования золнового дзижения на разнонаправленные и золновую составляющие в любой момент времени; использование методики проецирования для получения нелинейных поправок в эволюционном уравнении для направленных составляющих велкезого 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 изотермической одномерной атмосфере и их апробации, является частью НИР, выполненной в коллективе авторов. Конкретный вклад автора заключается в следующем:

1) вывод формул связи начальных условий, проверка направленности волнового движения в существенно нелинейной области амплитуд начального зозмущения;

2) применение методики проецирозания движения на разнонаправленные золны и стационарную составляющую; вывод проекционных операторов; получение нелинейных поправок в эволюционном уравнении для направленных золн;

3) собственно расчеты глобальных возмущений атмосфер Земли и Марса при импульсном локализованном энерговыделении; обработка и интерпретация полученных результатов.

Автор приносит искренни® благодарность к.ф.-м. н. В. Б. Шувалову за предоставленный набор начальных данных и постоянное внимание к работе, к.ф.-м.н. С.П. 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, вызывающи направленную волну.

2) Впервые подробно исследованы механизмы глобальной генерации акустико-гравитационных волн при мотаных 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 - з том числе ионосферные. Впервые проведены пробные расчеты АГВ 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 практически:-: целях. Прежде всего, это априорные оценки доли полной волновой 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 цилиндрически-снмметрич-

-з-

ноге возмущения в изотермической модели атмосферы. Очевидна практическая значимость детальных исследований возмущений земной 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 вызываемык 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 и 1592 году, на Всесоюзной конференции по проблемам стратифицированных течений в Каневе в 1991 году. Апробация работы также проведена на Международном симпозиуме "День дифракции-92" в Санкт-Петербурге в 1992 году, а также на семинарах кафедры теоретической физики КГУ и Института Динамики Геосфер РАН в 1991 и 1532 годах.

Структура и объем работы

Настоящая диссертация состоит из введения, четырех'глав и заключения. Объем диссертации € 9 страниц текста, 3 ^ страниц иллюстраций и £ страниц библиографии, включающей работы российских и зарубежных авторов.

II СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы и излагается ее содержание. Дан краткий анализ развития исследований атмосферной динамики; их теоретических и численных аспектов. Дано понятие о современном уровне исследований и их актуальных направлениях. Упомянуты данные наблюдений атмосферных волнений от мощных локализованных источников, отвечающее теме . диссертации, которые сопоставляются с результатами проведенного в диссертации численного эксперимента.

Первая глава посвящена обзору исследований акустико-гравитационных волн в атмосфере Земли.

В параграфе первом дано понятие о волновых дзижениях в атмосфере, их классификации по"дисперсионным соотношениям. Рассмотрено совместное действие сил, действующих на частицы атмосферного газа. Обсуждается роль реалистичной плотностной и температурной стратификации в моделях земной атмосферы, а также симметрии моделей. Обсуждаются физические причины, вызывающие акустическую и гравитационную составляющие движения - сжимаемость и высотная неоднородность атмосферы. Отмечено наличие волноводных и барьерных областей для акустических и гравитационных волн, предсказанное аналитически и связанное с неоднородностью температурного вертикального профиля. Упомянуты некоторые следствия линейной теории АГВ. Например, оценки распределения энергии по волновым ветвям для некоторых типов начальных условий; преимущественная генерация ВГВ возмущением горизонтальной компоненты массовой скорости, АВ - вертикальной. Наконец, отмечено влияние диссипации и вязкости на распространение АГВ С в смысле поправок к дисперсионному соотношению); а также нелинейные механизмы ге-

- ю-

нерации АГВ к перекачки энергии из одной моды в другую.

Второй параграф посвящен источникам АГВ и утверждению их преимущественной роли зо взаимодействии геосфер. АГВ атмосфера откликается на любое достаточно сильное возмущение умеренного масштаба (следствие дисперсионного соотношения для этих волн). Подробно рассматривается связь геосфер: лито-, атмо-Снейтральный и ионизованный газ), плазмо - сфер посредством этих волн, а также данные наблюдений и экспериментальные данные , подтверждающие важность взаимодействия геосфер посредством АГВ. Именно акустико-гравитационные волны зкполняют эту функцию из-за того, что, во-первых, они являются основным типом волн в атмосфере Земли, отвечающим физически реализуемым диапазонам частот, а, во-вторых, из-за способности низкочастотной составляющей распространяться на значительные расстояния, слабо затухая.

В третьем параграфе рассмотрены методы расчета АГВ в реалистических моделях атмосферы: от аналитических до современных алгоритмов, реализуемых на ЭЗМ. Аналитические методы г.о-прежнему могут эффективно применяться даже для описания нелинейкой волновой эволюции: проекционные операторы в линейной задаче однозначно выделяют части, соответствующие АЗ и ГЗ (выписаны в язном виде для бездиссипативной беззетренсй атмосферы с произвольной температурной стратификацией) и псззоляют получать нелинейные поправки в эволюционных уравнениях. Наиболее плодотворным в настоящее время представляется интегрирование основных уразнений газовой динамики методами конечных разностей.

Во зторой главе дается развитие аналитическим методам исследования волнового движения в модели одномерной изотермической атмосферы.

- и -

В первом параграфе этой главы на основе метода Фурье-разложения получены формулы связи между начальными условиями в г-представлении, вызывающие золну одного направления Свверх или вниз). Построен пример таких локализованных начальных условий и опробован на нелинейном алгоритме численного расчета. Оказалось, что направленность движения хорошо сохраняется для больших величин начального возмущения -например, скорости до 150 м/с.

Во втором параграфе исследования продолжены с помощью аппарата Фурье-разложения. В результате получены формулы для выделения направленных золя и стационарного вклада в заданном (достаточно гладком) начальном условии. Результат представляется в виде таблицы; сами выражения - интегральные с ядром з виде комбинации специальных функций ^ IQCr/2h) -

LQCr/2h) функция Бесселя нулевого порядка, LQ -

функция Струзе.

В параграфе третьем дальнейшее внимание уделяется выводу эволюционного уравнения для направленной волны и построению матричных оператороз проектирования, воздействие которых на волновое поле позволяет выделить разнонаправленные и стационарную составляющие движения в любой момент времени. Операторы проектирования оказызаются комбинациями интегральных операторов с тем же ядром. Демонстрируется, как использовать технику проецирования для получения нелинейных поправок в эволюционном уравнении.

В четвертом параграфе основные выводы, следующие из предложенной методики проецирования, апробируются на задаче о нелинейных колебаниях атмосферы при импульсном энерговыделении в слое газа. Напимер, методика проецирования предска-

зывает, что для начального возмущения только скорости пространственное распределение скорости для начального условия, ответственного за волну вниз, такое же, как и у ответственного за волну, пойдущую вверх и составляет просто половину начального распределения возмущенной скорости ; для начальных возмущений с нулевой скоростью соответствующие распределения противопложны по знаку. Эти и другие выводы хорошо соотносятся с результатами расчетов атмосферных колебаний с разными способами энерговыделения в слое; ранее же эти расчеты проводились наугад, без ясного понимания основных закономерностей движения.

Подчеркивается практическая значимость результатов с точки зрения априорной оценки доли волновой энергии, приходящейся на каждую составляющую при заданном начальном возмущении и возможности подбора требуемой конфигурации возмущения при заданной, например, энергетике возмущения. Результаты могут быть обобщены на двумерное Сцилиндрически-симметричное) движение газа в изотермической модели атмосферы, а также на существенно нелинейное С с известной поправкой, которая непосредственно может быть вычислена) в той же атмосферной модели. Представлены графики и таблицы, облегчающие применение методики.

Третья глава целиком посвящена распространению акустико-гравитационных волн от мощных локализованных источников в земной атмосфере, созданию пространственной и временной модели волнения на значительном удалении от источника Стысячи километров) и в значительной области высот - до 500' км. Это задача, которую невозможно решить аналитическими методами, требующая адаптированного (к таким масштабам и требованиям достаточной точности) алгоритма расчета и данных

- 1Ъ -

наблюдений для контроля расчетов.

В первом параграфе описаны имевшиеся данные о генерации акустико-гравитационных волн при ядерных взрывах, умозрительные предположения, основанные на результатах аналитической теории и конкретные записи возмущений - например, от ядерного взркза на Новой Земле 30 октября 1951 года. Изложены представления о генерации АГВ, во всяком случае, низкочастотной энергонесущей их части, медленно поднимающейся нагретой областью, остающейся после взрыва. Ставится цель расчетов - изучение АГВ, по возможности и акустической составляющей движения, при глобальных атмосферных возмущениях, вызванных ядерными взрывами, а также ионосферных явлений, порождаемых распространением этих золн.

Во зтором параграфе обращено знимание на роль -диссипа-тивных процессоз в распространении АГВ. Качественное различие с бездиссипатизным случаем можно уяснить непосредственно из результатов численного эксперимента. Интересен эффект превышения амплитуды волнового движения в вязкой теплопрсзодящей среде в некоторых областях высот. Этот эффект был предсказан ранее и теоретически. Оказалось, что различие в фазе волнений в диссипативнсй и бездиссипативной моделях атмосферы несущественно как для пространственной, так и для временной разверток, а амплитудное отличие выражено заметнее (для некоторых областей высот).

Третий параграф содержит з себе интерпретации результатов расчета, которые можно отнести к основным закономерностям движения, предсказанными еще аналитическими рассуждениями, как и во втором параграфе. В нем исследуется влияние дополнительной атмосферной температурной и плотностной неоднородностей, наложенных на собственные

особенности стандартной модели атмосферы. Причины такой неоднородности могут быть антропогенные и естественные: крупномасштабный выброс газа, действие ветра и т. д. Численные эксперименты показывают резкий рост амплитуды волнового движения вблизи области сильной неоднородности, где разрыв терпит производная температурной вертикальной стратификации. Выше этой области амплитуда волнового движения почти не увеличивается, что наблюдалось в расчетах со стандартной моделью атмосферы. По этим признакам можно .обратно, установить крупномасштабную фоновую атмосферную неоднородность по набору данных вертикального зондирования атмосферы.

Четвертый параграф посвящен описанию собственно расчетов эволюции поля газодинамических переменных от ядерных взрывов и сравнению с данными наблюдений. Модели источников были предоставлены автору в виде полей переменных по прошествии нескольких минут от начала возмущения, поля занимают значительно протяженную область порядка сотен километров в диаметре. Еще раз акцентируется внимание на особенностях алгоритма расчета С с цилиндрически-симметричной моделью атмосферы) , его адаптации к расчету широкого спектра частот золнения и масштабности задачи при сравнительно небольших затратах машинного времени. Приводятся аргументы в пользу удовлетворительности расчетов по линейному алгоритму: физич-ность результатов расчета ниже турбопаузной области высот, удовлетворительный диапазон амплитуд начального условия, амплитудное соответствие результатов расчета данным наблюдений, частотное соответствие в рамках используемых масштабов горизонтальной сетки. (Сравниваются наблюдаемые и расчетные барограммы на значительном удалении от места взрыва - 8000 км - для модели ЯВ мощностью 58 Мг, произведенного

- 1 о

30 октября 1950 года на Невой Земле). Для моделей этого и других высотных ЯЗ сделаны внзелы о характерных скоростях Cl км/с и 300 м/с) и периодах С 200 сек ;; 2000 сек) акустической и гразитационной составляющих движения, вызвынных ЯВ. Представлено достаточное количестве графической информации для полного описания структуры крупномасштабного волнения земной атмосферы, вызванных ядерная взрывами.

В пятом параграфе приведены расчетные изменения критической частоты F2 - слоя, осуществленные И.В.Карповым по ветровому полю, предоставлен:-: ему автором С для ядерного взрыва на Новой Земле). Они сравниваются с наблюдаемыми изменениями, зарегистрированный! з Москве, Томске, Свердловске. Расчетные изменения удовлетворительно соотносятся с наблюдаемыми: по времени прихода, амплитуде, периоду колебаний. Такое соответствие служит еще одним аргументом в пользу применимости адаптированного линейного алгоритма для расчета крупномасштабных атмосферных волнений.

В четзедтой главе методика вычисления глобальных атмосферных возмущений применяется :-: атмосфере Марса. Подчеркивается актуальность регистрации и последующей интерпретации АГВ и ионосферных эффектов с целью изучения источников глобальных атмосферных возмущении. Предлагается осуществлять регистрацию путем дискретных измерении поля переменных, что оказывается эффективным из-за низких частот энергонесущих цугов ВГВ, генерируемых в атмосгере Марса.

В перзом параграфе намечается план исследований АГВ от локализованных импульсных источников в атмосфере Марса. Отмечаются отличия марсианской атмосферы от земной и вероятная эффективность обнаружения сигналов в силу низкой плотности атмосферы Марса и низких частот генерируемых гравита-

ционных волн.

Второй параграф посвящен описанию моделирования АГВ от взрыва метеорита з атмосфере Марса. Представлены результаты расчетов. Расчитаны характерные периоды акустического и гравитационного цугов. Отмечены отличительные особенности марсианского волнения от земного, связанные с фоновыми параметрами атмосферы: ее разреженностью, температурой и ускорением силы тяжести. Эти различия приводят к более низким частотам гравитационного цуга, а также более заметным откликам атмосферы на однотипное возмущение.

В третьем параграфе обрисованы перспективы исследований АГВ и их эффектов в атмосфере Марса. Подчеркивается важность проведения ряда расчетов с целью создания инженерной модели для каждого типа возмущения для последующей интерпретации спутниковых записей. Регистрация ионосферного .эффекта может интерпретироваться таким же образом, и даже надежнее, из-за низких частот ионосферных возмущений. В общем, перспективы идентификации катаклизмов в атмосфере Марса становятся вполне ясными.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1) Получены следствия линейной теории динамики газа в одномерной изотермической модели атмосферы:

а)предложено базисное разделение волнового дзижения по направлению распространения,

б)построены формулы связи для начального условия, вызывающего однонаправленную волну,

в)выписаны проекционные операторы, выделяющие в волновом движении составляющие разных направлений и стационарную;

2) Результаты линейной теории опробованы в существенно нелинейной области начальных амплитуд:

- i 7-

а)сделан вывод о преимущественном сохранении направленности движения, вызванного сконструированными по линейным формулам начальным условиям для направленной волны,

б) с помощью проекционных операторов получены нелинейные поправки з эволюционном уравнении для однонаправленных волн;

3) Произведены расчеты глобальных зозмущеккй в атмосфере Земли, вызванных локализованными источниками, по адаптированному алгоритму. 3 частности, произведены расчеты ядерного ззрыва мощностью 58 Мт, произведенного 30 октября 1961 года на Невой Земле. Дана интерпретация поля генерируемых акуссико-гравитационных волн и ионосферных возмущений. Результаты численного эксперимента сравниваются с данными наблюдений; сравнение показывает удовлетворительное соответствие первых вторым. Попутно получена информация, подтверждающая теоретические представления о возможном усилении волнения в вязком теплопроводящем газе;

4) Обоснована важность регистрации поля газодинамически:-: переменных и ионосферного эффекта спутниками и внедренными приборами в атмосфере Марса. Произведен и интерпретирован расчет пеля от взрыва метеорита э марсианской атмосфере.

Список работ автора по материалам диссертации 1. Переломсза A.A. Проекционные операторы выделения направленных волн з изотермической атмосфере, XXIУ научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и студентов, КГУ, lS92,c.98

2. Немчинов И. В. , Переломова A.A., Шувалов В. В. Нелинейные колебания атмосферы при импульсном энерговыдекенин. // Сб. Проблемы стратифицированных течений, ;!н-т Гидромехани-

ки АН УССР, Какев, is31,c.67-68 3. Переломов^ А. А. Инициализация направленных взмущений i одномерной изотермической атмосфере. Деп. 1044В - 92, ВИНИТИ, КГ/, 29 с. 4. Yu.V. Brezhnev, S.3. Leble, A.A. Perelomova Nonlinear Effects and One-Dimensional Sound Propagation ir Inhomogenious Gas Medium // Day on Diffraction-92, International Seminar, St.-Petersburg, p.8 5. Переломова А.А Нелинейные колебания изотермической атмосферы, XXIII научная конференция профессорско-преподавательского состава, научные сотрудников и студентов, КГУ, 1991, с.1С2-104 6. Немчинов И. 3. , Переломоза А. А. , Шувалов В. В. Нелинейнь отклик атмосферы на импульсное возмущение //Изв РАН, Физ. Атм. и Океана, т.28, N3. 1992, с.234-239