Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Определение параметров турбулентной диффузии по ракетным измерениям состава в верхней атмосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Определение параметров турбулентной диффузии по ракетным измерениям состава в верхней атмосфере"

РОСКОМГИДРОМЕТ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА ФЕДОРОВА Е.К.

На правах рукописи

КАЛГШ Юрий Александрович

УДК: 551.510.535

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ ПО РАКЕТНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ СОСТАВА В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ

( 04.00.22- геофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

\

\

\

Москва- 1992

\

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика Федорова E.H. Роскомгидромета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Данилов А.Д.

Официальные оппоненты:

I

доктор физико-математических наук, с.н.с. Власов М.Н.

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Жадин Е.А.

Ведущая организация: НПО "Тайфун", г.Обнинск

Защита состоится 7 октября 1992 г. -Н. зо часов на заседали специализированного совета Д 024.09.01 в Институте прикладно! геофизики имени академика Федорова Е.К. по адресу: 129128 г.Москва, ул.Ростокинская, д.9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПГ.

Автореферат разослан

1992г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук С^'У) А.Г.Старкова

■ -Актуальность работы. Развитие теории, описывающей верхнгзю атмосферу и ионосферу, моделирование протекающих в них процессов делают необходимым все более точное описание процессов переноса, обусловленных турбулентностью и внутренними гравитационными волнами. Несомненный прогресс в развитии методов измерений параметров турбулентности и ВГВ в последние десятилетия, накопление экспериментальных данных требует пересмотра величин турбулентных параметров, получаемых различными методами. Пересмотр связан как с учетом временных и пространственных масштабов явлений, используемых для определения параметров турбулентности, и условий проведения экспериментов, так и с учетом среднемассового переноса при использовании для определения коэффициента вихревой диффузии потоков компонент атмосферы. Разбросы мгновенных значений параметров турбулентности, получаемые в экспериментах достигают нескольких порядков величин. Определение усредненных значений турбулентных параметров, полученных различными методами дает противоречивую картину их крупномасштабных вариаций. В частности противоречивыми являются заключения о сезонных вариациях в мезосфере и никней термосфере, полученные различными методами. Для задач теоретического описания и моделирования атмосферы и ионосфзры решение вопроса о долговременных вариациях коэффициента вихревой диффузии К(Ю является совершенно необходимым. Все это делает актуальными исследования вихревой диффузии в мезосфзре и нижней термосфере. Это касается анализа условий применимости диффузионно^ приближения, учета пространственных и временных масштабов при использовании результатов измерений, учета среднемассового переноса при определении потоков компонент, по

которым возможно нахождение параметров турбулентности. Новы;, является использование массивов данных по масс-спектрометрическт измерениям относительных концентраций аргона и молекулярного азота. Все это делает актуальным поиск нового решения известно! задачи определения высотных зависимостей коэффициента вихрево! диффузии и их сезонных и широтных вариаций, более полис использующий эмпирические данные.

Целью диссертационной работы является определение сезонных и широтных вариаций коэффициента вихревой диффузии в нижнег термосфере.

Научная новизна:

- предложен новый метод определения средних значений и сезонно-широтных вариаций средних значений высоты турбопаузы пс

• I

масс-спектрометрическим данным о профилях отношения аргона у молекулярного азота;

-предложен новый метод построения высотных профилей коэффициента вихревой диффузии;

-предложен аналитический метод учета среднемассового переноса при определении коэффициента вихревой диффузии из данных о составе атмосферы;

-уточнены пределы применимости диффузионного приближения при описают переноса атмосферных компонент и применимость различны? экспериментальных методов для определения вихревых параметров.

На защиту выносятся: -метод определения значений параметров, характеризующих степень развития вихревой диффузии на высотах нижней термосферы по данный масс-спектрометрических измерений нейтрального состава;

-результат анализа, в соответствии с которым зимой турбулентность в районе турбопаузы развита сильнее, чем летом в средних и высоких широтах;

-высотные профили коэффициента вихревой диффузии для трех сиротных зон и двух сезонов на высотах мезосферы и нижней термосферы; -вывод о том, что существует принципиальное противоречие в представлениях о сезонном ходе турбулентности, получаемых на основан«! ' / их методов и косвенных оценок, которое монет быть устранено путем учета среднемассового переноса. Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в том, что получено новое решение задачи о сезонных и широтных вариациях коэффициента вихревой диффузии в мезосфере и низшей термосфере и определены высотные профили коэффициента вихревой диффузии для различных сезонных и широтных условий. Из проведенного анализа применимости диффузионного приближения при описании процессов переноса в верхней атмосфере следует, что решен Еопрос о сезонных вариациях коэффициента вихревой диффузии и построена непротиворечивая картина сезонных и широтных вариаций К. Использование полученных в работе результатов необходимо для моделирования термосферы и ионосферы и, в особенности, для моделирования ионосферной области Б.

Практическая значимость работы определяется областями практического применения моделей атмосферы и ионосферы на высотах мезосферы и нижней термосферы.

Личный вклад автора включает участие в постановке задачи, обработку первоначальных масс-спектрометрических данных,

нахождение сезонных и широтных вариаций относительной концентрации аргона и молекулярного азота, разработку метода определения вариаций средней высоты турбопаузы из средних вели*

относительной концентрации Аг и К, разработку метода построения профиля коэффициента вихревой диффузии, определение сезонных и широтных вариаций средних величин турбопаузы и' высотных профилей коэффициента вихревой диффузии, разработку метода учета средаемассового переноса при определении К из данных о составе, анализ условий применимости диффузионного приближения при исследовании процессов переноса в низшей термосфере. Апробация работы Основные результаты исследований, содержащиеся в диссертации докладывались на Всесоюзных совещаниях по динамике верхней атмосферы в Обнинске, на международных конференциях КОСПАР, научных семинарах в Институте прикладной геофизики. Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 151 страница, включая 31 рисунок,7 таблиц I список литературы из 94 наименований.

Во введении показана актуальность темы исследований, указаны цел] работы, научная новизна, теоретическая и. практическая ценност: работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту Кратко изложено содержание работы.

В первой глав е ( Теоретическое описание диффузии в верхней атмосфере Земли и методы определения диффузионных параметров приводится обзор теорий турбулентности в свободной атмосфере Подробно анализируется применимость диффузионного приближения при

описании турбулентного переноса. Внутренние гравитационные волны рассматриваются не только как причина возникновения турбулентности в атмосфере, наличие широкого спектра нелинейно взаимодействующие волн дает существенный и аддитивный вклад в диффузионные сеойствз атмосферы при больших пространственных и временных масштабах и анизотропию этих свойств в горизонтальном и вертикальном направлениях. Приводится обзор различных экспериментальных методов определения параметров турбулентности и коэффициента турбулентной диффузии. Метода определения распадаются на два принципиально различных класса. В первом, определяются динамические характеристики атмосферных движений и на их основе величины коэффициентов переноса. Во-втором, определение К является чисто феноменологическим - из известных экспериментальных профилей компонент атмосферы и температуры в предположении диффузионного характера переноса компонент атмосферы и теплоты без привлечения каких-либо сведений о структуре и свойстзах атмосферных движений и учета среднемассовых движений. Эти две группы методов не только принципиально различны, полученные на их основе результаты дают прямо противоположные выводы о сезонных и сироткых вариациях коэффициентов вихревого переноса. Решение этого вопроса на текущий момент отсутствует.

Во второй главе (Определение диффузионных параметров атмосферы и их вариаций по результатам масс-спектрометрических измерений нейтрального состава) рассматривается массив данных о профилях относительной и абсолютной концентрации аргона и молекулярного азота. Рассматриваются основные особенности масс-спектрометрического метода определения концентраций компонент

атмосферы. Процессы ионизации в ионном источнике, искажение спектра масс и дискриминация ионных токов в анализаторе в наименьшей степени сказываются именно на определении концентрации инертной компоненты - аргона и в особенности на определении относительной концентрации аргона и молекулярного азота, что

делает эти измерения наиболее достоверными из врех, которые могут

/

быть получены с помощью масс-спектрометра. В этой главе изложен разработанный метод определения средних значений высоты турбопаузь по данным масс-спектрометрического определения относительнш концентраций Аг и Л2- Данные получены в ракетных экспериментах, проводившихся в ИПГ в течение ряда лет. Каждому измеренном^ профилю [Аг]/Ш2] ставилась в соответствие величин!

133

1= s [Arl/INj,], определение которой свободно от каких-либ<

юз

предположений. Все полученные величины I были разбиты на пят: массивов данных, соответствующих летним и зимним условиям высоких и средних широтах и вне зависимости от сезона в тропиках Внутри каждого массива проводилось усреднение величин I Полученные средние значения I обнаруживают четкие сезонные широтные вариации, приведенные на рис.1. В рамке феноменологического рассмотрения без учета среднемассово1 переноса из величин Г были получены значения Н1. Максимальнь значения ^ достигаются зимой в высоких (Iud-i^J"'ist и.-средш (IOS-IIO км) широтах, минимальные летом (98-101 км в высоких 100-102 км в средних широтах).

Изложен разработанный метод построения профилей коэффициен вихревой диффузии, основанный на совместном анализе получена данных о 1\ о данными по измерениям флуктуаций скорости ветра

В

— . I

I

'f,CO -

Zpo-

is*

ЗИМА

'О

О

(Г

ЛЕТО

О

so so f А/

РисЛ . Сезонно-широтные вариации I

метеорной зоне. Максимальные значения коэффициента вихревой диффузии достигаются зимой в высоких (З-Ю^см^с-1) и средних широтах (Э'КГсм^с-1), минимальные - летом (в высоких широтах б-ЮГсм^с"1. в средних Ю^Ъ/'С'1). Полученные профили приведены на рис.2.

Третья глава (Влияние и учет среднемассового переноса при определении вихревых диффузионных параметров атмосферы). Глава посвящена рассмотрению влияния упорядоченного переноса на определение значений коэффициентов вихревой диффузии при феноменологическом рассмотрении из потоков компонент атмосферы. Реальные потоки компонент содержат дае составляющие: первую -пропорциональную градиенту концентрации компонент, и вторую -связанную со срэдкемассовым переносом и определяемую произведением концентрации южпоненты на скорость упорядоченного переноса. Неучет среднемассового переноса и представление потока компонент только как градиентного приводит к искажению получаемых значений К(Ю, а использование различных компонент приводит к противоположным ьыводам о сезонных вариациях К(11): из концентраций О и Не получается летний максимум К, из [Аг]/Ш2] - зимний.

Учет среднемассового переноса , описываемого при больших масштабах усреднения зонально-усредненными моделями меридиональной циркуляции атмосферы позволяет сделать однозначный вывод о сезонных вариациях К(Ю в мезосфере и нижней термосфере средних и еысоких широт и преодолеть противоречия в выводах о сезонном ходе КСЬ.), полученных из рассмотрения вариаций концентраций 0 и Не в термосфере. Максимальные значения как коэффициента вихревой диффузии, так и высоты турбопаузы достигаются в средних и высокш

Рис.2. Профили коэффициентов вихревоЛ диффузии для различных условий I и 2 - зимние и летние профили КМ), 3 и 4 - зимние и летние профили ФГЬ)

широтах зимнего полушария, минимальные в летнем. Полученшй результат согласуется с данными независимых прямых измерений.

В заключительной части главы рассматриваются результата определений К(Ь) с учетом временных масштабов, обусловленных масштабами наблюдаемых явлений и условиями измерений. При таком учете находит объяснение достигающий нескольких порядков величин разброс параметров вихревой диффузии, полученных различными методам:.

Заключение содерхит основные результаты, полученные в диссертации.

1.Представлен детальный анализ применимости диффузионного приближения для описания потоков компонент атмосферы. Определение коэффициента вихревой диффузии в • нижней термосфере при использовании данных о составе атмосферы возможно лишь при учете среднемассового переноса атмосферного газа, описываемого при определении сезонных и широтных вариаций зонально-усредненными моделями меридиональной циркуляции атмосферы.

2.С помощью предложенного метода определения средних высот турбопаузы из масс-спектрометрических данных по отношению концентрации аргона и молекулярного азота найдены сезонные и широтные Еариации высоты турбопаузы. Максимальные значения высоты турбопаузы достигаются зимой в высоких (109-112 км) и средних' (108-110 км) широтах, минимальные летом (высокие широты-98-101 км, средние широты 100-102 км).

3.На основе предложенного метода построения высотных профилей коэффициента вихревой диффузии из данных о вариациях высоты турбопаузы и флуктуациях скорости ветра в нижней термосфере

получены высотные профили коэффициента вихревой диффузии для различных сезонных и широтных условий.

4. Определены сезонные и широтные вариации высотных профилей коэффициента вихревой диффузии, максимальные значения коэффициента достигаются зимой в средних (Э'Ю^см^с"1) и высоких (3'10<5см2'с"1)широтах, минимальные - летом (б-Ю'см^с"1 в высоких и 10<5см2*с-1 в средних широтах).

5.Анализ результатов измерений коэффициентов Еихревой диффузии различными методами, проведенный с учетом рассматр:гаемых при измерениях временных и пространственных масштабов, а такге учет упорядоченного переноса при определении K(h) из данных о температуре и составе позволяет преодолеть противоречия в выводах о сезонных вариациях параметров вихревой дкффуз;ш, известные с шестидесятых годов.

Тем самым задача определения высотных профилей коэффициента вихревой диффузии и их сезонных и широтных вариаций получила свое новое решение на основе впервые использованных для таких целей массивов данных по составу атмосфера и теоретического анализа различных факторов, определяющих перенос компонент атмосферы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Lanilov A.D., Kaigin U.A., Pokhurikov A.A. Variation oí the turbopause level in the polar region.//Space Res. 1979 7.19. P.1973.

Danilov A.D., Kalgln U.A., Pokhunkov A.A. Variation oí the turbopause level in equatorial region //Space Res. 1530. V.20. P.83.

Данилов А.Д., Калган Ю.А., Похунков A.A. Вариации ypoi турбопаузы в полярной области // Геомагнетизм к аэрономия. 1980. Т.20. N 3. С.474.

Похунков A.A., Калгин Ю.А., Данилов А.Д. Об изменчивости высс турбопаузы в средних широтах.// Геомагнетизм i аэрономия. 1985. Т.25. N 4. С.687.

Калгин Ю.А., Похунков A.A. Масс-спектрометричесга исследования вариаций высоты турбопаузы // Ионосферные исследования. 1981. N 34. С.66.

Данилов А.Д., Калгин ¡O.A., Похунков A.A. Сезонно-широи вариации турбулентных параметров по масс-спектрометрическш измерениям нейтрального состава в нижней термосфере.А Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т.29. N.6. С.987.

Eanllov A.D., Kaigin U.A., Pokiiunkov A.A. Seasonal i latitudinal variation of turbulence In the lov/e: thennospiiere.// Paper MC.6.2.4. presented at 33 Cospar Pleanar; Meeting, Hague, July, 1S90.