Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Турбопауза земной атмосферы по данным радиофизических измерений

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Турбопауза земной атмосферы по данным радиофизических измерений"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЗЕЛ1НОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На правах рукописи УДК 550. 388. 2

КОРСУНОВА Лидия Петровна

ТУРБОПАУЗА ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

04.00.22. — Геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА — 1992

Работа выполнена в физнко-техническом институте АН Туркменистана. \

Официальные оппоненты:

— доктор физико-математических наук, профессор Н. П. Бенькова (ИЗМИР РАН, г. Троицк)

— доктор физико-математических наук, профессор 10. А. Игнатьев (НИРФИ, г. Нижний Новгород)

—■ доктор физико-математических наук, профессор В. В. Сидоров (КГУ, г. Казань) ]

Ведущая организация: Институт солнечно-земной физики СО РАН (г. Иркутск). 1

Защита состоится 8 1992 г- в часоз

на заседании Специализированного совета Д. 002.83.01 Института, земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН по адресу: 142092, Московская обл., г. Троицк.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР РАН. Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат физ.-мат. наук

О. П. КоломиЙцев

- 3 -

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- Актуальность проблемы. Солнечно-земная физика привлекает к себе пристальное внимание ученых в связи с все возрастающей ролью космоса в жизни человека. Традиционпш исследования ионосферы приобретает1 теперь новый смысл, опираясь на современные..зк-спериментальнне методы, базирующиеся на ракетной и спутниковой технике. Достижения последних лет с уверенностью показали, что пространственно-временные варзации ионосферных параметров, существенных для распространения радиоволп декаметревого диапазона, ..во многом определяет динамический режим мезосферы и шпшей термосферы (80-120 км). С другой стороны, эта область высот оказалась.и сравнительно малоизученной в силу ограниченности экспериментальных возможностей для ее. исследования. Поэтому исследование динамики средней атмосферы стало актуальной задачей планетарной геофизики, в связи с чем бал разработан и осуществлен ряд международных проектов и программ ( МАР,гЛТЗ,И!ША и др.) йо Исследованию динамических процессов на этих высотах.

Особое внимание в этой связи должно быть уделено изучению физики турбопаузы - переходной зоны между турбосфероЯ и областью ламинарных течений газа. Известно, что изменение динамически* условий на уровне турбопаузы оказывает существенное влияние на поведений структурных параметров верхней термосфзрн. Мокно' выделить два главных аспекта в изучении физики турбопаузы - теоретический и агрономический. В теоретическом плане необходимо исследовать структуру поля~-турбулентности (спектр), генерацию и диссипации энергии турбулентных движений, в аэроног.таческом -наиболее ваяны определение коэффициента вертикального турбулентного переноса, выяснение роли турбулентности в переносе малых составляющих аил осферы, суточные, сезонные п другие вариации

интенсивности турбулентности. И если агрономическая сторона этой проблемы получила широкое развитие в последние годы, теория"тур-бопаузы попрежнему не разработана. В большой мере это обусловлено недостатком корректных экспериментальных данных о турбопаузе.

С другой стороны, турбопауза земной атмосферы представляет уникальные возможности для решения задач гидродинамики. Она является природной лабораторией для исследования турбулентных процессов в переходном слое, которые до последнего времени изучались с помощью специальных: дорогостоящих установок.

Для исследования указанного круга задач применяются как измерения в самой атмосфере (запуски ракет), так и косвенные методы, большинство из которых основывается на радиофизических измерениях. В силу кратковременности и эпизодичности ракетных экспериментов они не могут быть использованы для детального исследования процессов в турбопаузе и ее морфологических зависимостей, поэтому важнейшее значение приобретают наземные радиофизические измерения с помощью метеорных радаров, некогерентного рассеяния, частичных отражений. Б этой связи предлагаемый .нами метод исследования гидродинамической турбулентности по измеряемым параметрам среднеширотных спорадических образований представляет, на наш взглад, значительный интерес. Он на только позволяет получить ряд важных аэроношческгос характеристик в области турбопау-зы и исследовать ее долголериодические вариации, но и выявить структуру поля турбулентности на высотах нижней термосферы.

Значительная часть диссертационной работы выполнена в рамках Всесоюзных и Международных программ: " Исследование средней атмосферы" (MAP - I982-IS86 гг.), "Сотрудничество по исследованию средней атмосферы ( MAC - 1987-1989 гг.), 'Волновые возмущения " и другие."

Цель исследования.

1. Разработка методики определения параметров турбопаузн по наблвдаемым характеристикам среднеширотного спорадического слоя Е.

2. Создание эмпирической модели турбопаузн.

3. Экспериментальная проверка различных механизмов генерации турбулентности на внсотах нижней термосферы.

Для решения этих задач предстояло: провести комплексные экс-перютзнты по одновременному измерения параметров Ед и ветра в одном пункте, 'спектральные исследования длительных рядов наблвде- . ний частот и высот спорадического слоя В в различных широтно-дол-готннх зонах, которые позволили исследовать структуру поля турбулентности в области турбопаузн, рассмотреть возможные источники' ее генерации, а также проявления динамической структуры турбопаузн в различных геофизичоских явлениях.

Научная новизна." Предложенный нами метод исследования атмосферной турбулентности в нижней термосфере по флуктуапиям электронной концентрации Е^ является оригинальным и достаточно эффективным на тех высотах, которые являются предельными для болв-шинства метеорологических ракет и где практически отсутствует спутниковая информация. Этот метод позволяет получить достоверньга. сведения о параметрах турбопаузн, удовлетворительно согласустщкст с данными прямых экспериментов. !

Разработанная нами методика определения интенсивности турбулентных процессов по величине диапазона полупрозрачное™ % позволила исследовать целый комплекс морфологических з'гепсимостэЧ для зоны турбопаузн, среди.которых наиболее вдеян суточные, сезонные, широтные, а также-связь с солнечной и нагяптиой аптш>-ноотью. Эти результаты являются оригинальными для Тизпгп тукЬ--паузы. Ояи суа;встшви«1 образом дополна:« картину т-ур" •■кнтяоетя

я средней атшсферс, подученную пряшмс и косгешшщ методами.' достаточно ошззать, что регулярные изменения интенсивности турбулентности были ранее известны лишь до высоты 100 ш по радао-мьчеориш измерениям. Вьале имелись лшь эпизодические данные на разных широтах, на основании которых невозможно било составить представление о динамической структуре турбопауэы.

Проведенные нами исследования позволили не только выявить пространственно-временные вариации параметров гурбопаузи иа средних широтах,но и определить основные физические процессы образования турбулентности не высотах ншшей термосферы. Следует отметить,что до последнего времени особенно интенсивно,исследовалась мелкомасштабная турбулентность как £ теоретическом, так и в экспериментальном плане. Данных о турбулентных вихрях других масштабов явно недостаточно. Нами на основании спектрального анализе длительных рядов наблюдений параметров на средних широтах епервые была изучена структура поля турбулентности в зоне турбо-паузы,определены основные спектральные зависимости для вихрей разных масштабов, составляющих эту.переходную.область атмосферы.

Научная к практическая ценность работы заключается прелде всего а том, что до сих пор исследования были посвящены самой его природе' иди морфологии, а также роли в распространении радиоволн декаметрового диапазона. Наш впервые была постав-пена и решена обратная аэроыошческая задача - получение данных о характеристиках гвдродшшмической турбулентности в области образования Е^ по изменение его параметров. На основе предложенного нами, метода вцервые было, проведено комплексное исследование турбопауэы: определены ее.динамическая структура, источники генерации 1урбулентности, интенсивность турбулентных процессов

и их пространственно-временные вариации, выделены основные физические процессы, контролирующие изменения структурных параметров турбопаузи. В результате этих исследований были получены наиболее полные на сегодняшний день представления об этой переходной области земной атмосферы, которые могут служить основой для разработки теоретических моделей.

Результаты, приведенные в диссертации, необходимы для рас- . четоБ распределения в атмосфера Земли малых нейтральных ¿оставляющих ( О, МО, IJ а и др.), а следовательно, для уточнения моделей нейтральной атмосферы. Учитывая, что данные о нейтральной атмосфере необходимы для построения различных ионосферных моделей, можно считать, что результаты работы могут быть использованы для коррекции уже созданных ионосферных моделей и улучшения прогноза распространения радиоволн.

Кроме того, атмосферная'турбулентность, являющаяся источником неоднородностей электронной концентрации в нижней ионосфере, приводит к флуктуациям амплитуды, фазы и частота радиосигналов, распространяющихся в ионосфере..В этой связи знание физических-и морфологических особенностей турбулентности в нижней термосфере совершенно необходимо для повышения надежности работы ионосферного радиоканала.

Реализация результатов работы. Экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения работы, переданы в ИЦЦ-Б2 и включены в международной обмен. Часть результатов использована при внпслнонии хоздоговорных работ. По материалам проведенных ис-слодсвшшП зшолнеки итоговые отчет;; лаборатории пзяосФзрник ясоледояенкЗ 5взигсо-тешг-'оского института ЛИ Тург.кноко:'! OOP, а т.чктл итзгор»? отчеты результатов нэдчинх исслчпоеадяЗ ао " vh .'>])v.! 1 ' проз ктач.

\ - в - ■ • •

Основные поло&ения, выносимые на защиту. " ■ -

1. Методика определения параметров турбопаузы по измеряемым характеристикам средн широтных спорадических образований.

2. Эмпирическая модель сезоино-широтных вариаций интенсивности вертикального турбулентного переноса на высотах нижней термосферы. '

3. Динамическая структура турбопаузы и ее взаимосвязь с различными геофизическими явлениями.

4. Механизмы генерации турбулентности в области турбопаузы.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной

работы докладывались на: I Всесоюзном симпозиуме "Взаимодействие космической шли.о атмосферой" (Ашхабад, 1974 г.); П-У Всесоюзных совещаниях по исследовании динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск,1976,1979,1962,19Ь5 гг.); 1-11 Всесоюзных'симпозиумах во результатам исследования средней атмосферы (Алма-Ата, 22йЗ г.; Звенигород, 1966 г.); Х1У-Ш Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Ленинград,1984 г.; Алма-Ата,1987 г.; Харьков,1990 г.); на IX"я У1 Всесоюзных совещаниях по неоднородной структуре ионосферы (Ашхабад,1979 г.,1987 г.); ХУ Всесоюзном совещании по полярным сияниям и свечению ночного неба (Абастумаии, 19Ь2 г.); совещаниях исполнителей программы' "Волновые возмущения в системе ионоофара-гершсфера" (Алма-Ата,1969 г,,1990 г.)'; Всесоюзном симпозиуме по проблеме "Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере" (ОбшшохДЭЭО г.)} ■'

и мевдуиароднцх' оогещавиязС; по взаимодействии структурных параметров.меаосферы и нижней ионосферы (Таллин,1976 г.); по итогам проекта-МИН (Ашхабад,13В1 г.); на симпозиумах КАПГ по соднечяо-иешоа физике (Тбилиси, 1976 г., Ашхабад, 1979 г. Самарканд, Ш9 г.);* симпозиуыэ по наземным исследованиям низшей

ионосферы (Шверин, ГДР, 1983 г.), 2-ом Международном семинаре по исследованию слоя (Шопрол, ВНР, 1585 г.); 3-ем Международном сешнаре по проблеме "Метеорологические эффекты в ионосфере" (София, Болгария, 1988 г.); симпозиуме по исследованию средней атмосферы (Душанбе, 1989 г.); совещании исполнителей проекта ЙУДЫЯ (Вуппертал, ФРГ, 1991 г.), а такие на научных семинарах ФТИ АН ТССР, ИПГ, НИРН1, ИЗШРАН.

По материалам диссертации опубликовано 48 работ, а также 5 научных отчетов.

' Личный вклад автора. Щцея использования в качестве трассера турбопаузы принадлежит академику АН Туркменистана Овезгельдыеву О.Г. - руководители Отдела космических исследований Физико-технического института, где выполнена работа. Автору диссертации принадлежит: постановка задач и определение методов их решения, разработка методики определения параметров турбулентности, анализ экспериментальных данных и большая часть прове— денных расчетов. Автор принимал непосредственное участие в организации и проведений комплексных экспериментов по измерению параметров и ветра в Ашхабаде, а также длительных ионосферных наблюдениях. Исследования с помощью спектрального анализа осуществлены совместно с к. й.-м.н. Карагааевым Ю.Е1. Интерпретация полученных результатов и псе выводы по проведенным исследованиям сделаны автором.

Структур.! и объ^м диссертстщ. Диссертация состоит из Введения, 7 глав, заключения и библиографии. Объем диссертационной работы составляет 354 странниц С£ иллюстрации я 45 стр. библиографии (402 нашенозпшч).

Краткое содержание_работы.

Во введении обоснована ¡актуальность проблспы, сфорчулирова-

- 10 - .

ни цель исследований, их научная новизна и лрактнчаская.значимость. Изложено краткое содержание диссертации, приведены-сведения об апробации работы и публикациях,

В первом разделе приводится краткий обзор экспериментальных и теоретических исследований турбулентности в верхней атмосфере, проведенных в последние десятилетия.

Показано, что при распространении волн в атмосфера Земли вследствие экспоненциального роста амплитуду с высотой волна терцет устойчивое^,* тан что на определенных уровнях монет прон-зойти ее разрушение. Такие критические уровни в атмосфере определяются конкретны;«! распределением температуры' и скорости ветра с высотой. Для целого класса волн (приливы, ВГВ) ати уровни находятся в облает? высот 70-120 ют, выше которых движение газа становится дащнарныи. В результате разрушения первичных волн, распространяющихся из нижней атмосферы, в доезоефере и термосфере возникают вторичные волны или крупномасштабные вихри; которые передает1 свою %нергш движения!« меньших масштабов и так.далее, . что в конечном итоге приводит к появлению турбулентности. Как показывает многочисленные эксперименты, развитая турбулентность существует на высотах 70-100 км, на s ~ 100 км находится переходная зона мбаду турбулентным и ламинарным течением газа, 'получившая название турбопаузы. Турбопауза земной атмосферы проявляется как зона сильных ветровых сдвигов, ниже которой атмосфера находится в перемешанном состоянии' (гсмосфера), выше -частицы распределяются в соответствии со своим молекулярным весом. .

Анализ теоретических исследований механизмов генерации турбулентности в верхней атмосфере показал, что выше 90 км тур-

- 1Г -

булептность могу? создавать коротковолновые ( ■'. 30 км) моды солнечного термического прилива, ЙГВ, генерировали® в мезосфо-ро, а также взаимодействие пршшва со средаемасштабными ВГЗ. Щи этом остается совершенно не исследоваянки поле Турбулентных' скоростей в области турбопаузы, ае определены спеятралышэ законы распределения энергии турбулентных вихрей разных масштабов.

Обзор многочисленных эксгоржЕтальншс данных по определенно высоты турбопаузы прямыми и косвенны?,® методами свидетельствует о большом разбросе полученных: данных, что может быть свя-1 зано со значительными простраяственно-врекенпшт вариациями этой величины. Известные модельные расчета, базирующиеся на рдз!~ ных теоретических предпосылках, нэ согласуются с экспериментальными данными о сезонных вариациях высот турбопаузы, определенных из ракетных измерений отнопзнжя [Л г] / , Значп-, тельно более согласованна результаты получены по определена высотного профиля коэффициента вертикального турбулентного переноса. Тем не менее измерений для области турбопаузы и пияаей термосферн крайне мало, что нз позволяет составить представление о долговременных изменениях интенсивности турбулентности в этой зоне. ' •:

Во втором разделе . рассматриваются'результаты исследования неоднородной структура спорадического слоя В ионосфэры на, средних сиротах по дгвдкна ракет и наземного зондирования, а также теоретические разработки,'позволяющие считать Е{ естественным трассером турбопаузы. Показачо, что те же сдвиги скорости ветра, которые вызывают сгонку ионизации в Ед , являют-., ся причиной возникновения турбулентности в нижней термоейэре» Установлено, что средаегавротный спорадический слой Б образует-.ся в области турпоиаузы, поэтому знсотн его наиболее вероятно-

го появления характеризуют среднестатистическое положение турбо-паузы.

Исследуя роль турбулентной диффузии в формировании среднеш-ротных типов Е^ , получено, что турбулентная диффузия, наряду с амбиполярной контролирует плазменные частоты Е^ -отражений. Так, турбулентная диффузия размывает слой повышенной ионизации, уменьшая в нем максимальную электронную концентрацию, и может свести ее до уровня окружаяцей среды. Таким образом, плазменные частоты несут информацию об интенсивности турбулентных процессов на высотах его образования, то есть в области турбопаузы. Спорадический слой Е, в отличие от регулярного, обладает свойством полупрозрачности, Второй частотный параметр слоя - предельная частота отражения - характеризует структурные особенности конкретного спорадического образования. Показано, что флуктуации предельной частоты отражения Щ коррелируют с турбулентными флуктуация!.® скорости ветра. Модельные расчеты подтвердили, что отражения от Е^ . на частотах, превышающих плазменные, в большинстве случаев-обусловлены значительными градиентами электронной концентрации, особенно в дневные часы. Однако, для с большем диапазоном'полупрозрачности отраженный сигнал формируется, в основном, за счет!рассеяния на мелкомасштабных неоднородноетях • электронной концентрации. Экспериментально доказано, что эти неоднородности на высотах ниже 100 км имеют турбулентное происхождение, так что величина диапазона полупрозрачное™ в случае тонких вывокоионвзяроваакнх слоев пропорциональна интенсивности турбулентности да высотах образования Ей , Поэтому, решая обратную бсдачу - определяя интенсивность атмосферной турбулентности по наблюдаэм.да параметрам к пользуясь долговременными наземными- наблюдениями спорадического слоя Е, можно получить уникальные данные о величине коэффициента вертикального

турбулентного переноса п о пространственно-временных вариациях турбулентности в нккней терыосфере.

В третьем разделе изложены рззрабслзнние автором методики определения параметров турбопаузыг по найздгаемш характеристик^;

. Одна из них базируется на одновременных. измерениях профилей электронной концентрации в E¿ и нейтрального ветра п представляет собой решение обратной задачи на основе теорпи ветрового сдвига образования среднеширотного E¿ , Эта методика былэ апробирована нами для независимого комплексного эксперимента Л L Я DI N ( в котором измерялись скорость ветра, турбулентность и электронная концентрация. • Результаты расчета коэффициентов турбулентной диффузии по предлагаемой наш методике удовлэтвортг-, телыга согласуются с данными ракетного эксперимента. Это позволило применить нэиу, методику к другим измерениям E¡f а ветра. '.' проведенным на средних широтах. Получено, что К„, определенные

по E¿ -донным,имеют тенденция возрастания с высотой, изменяясь "

с о —I ' » 7 2 -Т '

от 10 см с на s = 90 raí до 10 см с , на высотах тер^осФерк

( ~И5 км).

С другой стороны, статистический анализ распределения ди.-<~ ; пазона полупрозрачное«! с высотой показал,, что в среднзии-ротной нижней термосфере существует область повышенной турбу- . лентности, местоположение которой изменяется во времени и про' странстве, Максимум турбулентности развивается во вез сезоны ниже 90 км, а летом существует второй дополнительный максимум Í на высотах ЮО-Ю5 кч, что такке. хорошо согласуется с нзвест-' ними модельными расеташ. Это подтвзредает выдвинутое ъжя • положение о том, что величина диапазона полупрозрачное«; Eg характеризует лтенсивчоотъ турбулентных процессов в области ' турбопаузн, являющейся верхней «»еяноЛ областью турбосфрн. ■

Цредяозен способ обрещеивя ереднесхаткстзчзсюп профалеЯ ( бД/Ть ) с ¡(,г ( е ), Приведены рассчитанные среднесезоиные распределения коэффициента вертикальной турбулентной диффузии с высотой для широты - 40°)1-'.

Разработанные автором -методики определения К^ по -данным сравнивается с предложенным П, Еенце способом расчета коэффициента вертикального турбулентного переноса на основе той г,е теории ветрового сдвига, но с использованием модели теплового ветра и числа Бпардсона, Показано, что наибольшее согласие результатов определения-К,г по различным методикам получается при использовании одновременных измерений электронной концентрации в е ветра. Полученные профили коэффициентов вертикального турбулентного переноса удовлетворительно согласуются как с даши ракетных экспериментов на сродни: шротах, так с с косвенными оценкам? по тепловому балансу.

Четвертый раздел диссертации посвящен исследованиям про-страствекно-временних вариаций турбопаузн. Применяя предложи-щй вами методику определения параметров турбулентности по наблюдаемым характеристика!,5 к измерениям на мировой сетп станций вертикального зондирования, удалось создать глобальную эмпирическую модель вариаций турбопаузы. Оказалось, что высота турбопаузы с коэффициент вертикальной турбулентной • диффузии подвергали суточным, сезонным, годовым и более долговременный изменения?,?,

Приливные колебания с'атмосфзрз оказывают непосредствен-нов воздействие на висоту турбопаузы. Показано, что высота наиболее ■ вероятного появления в области широт 4Ь°$ - 50°е| ■изменяется с полусуточные периодом летом и в равноденствие, зимой преобладает «уточная волна. Усредненные через 5°.широты

временные пзмененяя высот B¿ представлена в виде гармонического ряда, коэффициенты которого изменяются в течение года. Следует . оклдать проявления аналогичных вариаций и для высот турбопйузн. -Получено, что вероятность появления турбулентности на вясотах нижней термосферы максимальна а полуденные и.полуночные часы. Величина коэффицие'ита вертикального'турбулентного переноса также изменяется с полусуточным периодом. ■ '.

По данным советских и зарубежных станций; расположениях из пцротах 20°¿ - 30°N , съедай ешзод, что высота турбопаузц п интенсивность турбулентности испытывают полугодовые вариация ' о максимумам в солнце стоянйя на' низких и средних широтах я . годовые - с максимумом змной - на высоких (шротах. Амплитуда полугодовых вариаций достигает 5 * 10 км в зависимости от rapó-ты. Кроме того, параметрам турбулентности свойственна, и''сезон-'" низ изменения. ' " .•''.'.

Из анализа пространсгвеннх вариаций диапазогга полупрозрачности Bs следует, что' в пяротньк изменениях турбопвузы.выделяются максимумы интенсивности турбулентности Ha^f ^ (50^60°} л вблизи экватора. Асимметрия динамических процессов в север- . ном и южном полушариях, 'отмеченная ранее для преобладавшего : .

. г.,,

ветра, проявляется и для характеристик Турбо паузы. Покозачо,.' что минимум bt смещен относительно экватора, так что яаияизщев положение высота турбогаузы отмечается на - 10°6 . Получено' •. также, что не существует сколько-нибудь значительных долготных ' различий з характере временных вариаций параметров турбопаузн;-: ' На станциях Вашингтон, Ашхабад, Азута наблвдаятся идентичные,- \ суточные, сезонн.че и другие вариамзд высот и интенсивности турбулентных процессов в области т.урбояауэы. Это овлдзтельст-, вует об унпверсатьчостя сояучекноп -г/лфической мохкмк прост-;

~ 16 -

ранствешю-вреыешшх вариаций турбонауаы, '

В пятом разделе приведены результаты исследований динамической структуры турбопаузы, что является одним из важнейших элементов изучения переходной.-зоны в турбулентных течениях. Спектральный анализ временных радов частотных параметров позволил выделить кваздазриодические составляющие, обусловленные наличием неоднородноатей электронной концентрации соответс-вуицих масштабов. Учитывая турбулентное происхождение этих не-однородностей, были определены размеры турбулентных вихрей, оу-ществувдих в области турбопаузы. Выполнение для этих масштабов спектральных законов для развитой турбулентности также свидетельствует о том, что указанные неоднородности генерированы турбулентными вихрями,

Одновременное пространственно-разнесенное зондирование в двух и более пунктах позволило идентифицировать существование в нижней термосфере крупномасштабных ячейковых вихрей, горизонтальные размеры котррых составляют 120 км * 1<г 6 330 км, вертикальные 5" км 4 *"10 км,

Как показали проведанные исследования, поле турбулентности на высотах турбопауэы может быть предотавлено:

в) областью внешних масштабов с горизонтальными размерами 35-50 км и спектральным законом распределения анергии

С(к)~ к ~3 , ГД8 к - волновое число; б) архимедовым интервалом, к которому относятся турбулентные вихри с размерами I 25'км, а распределение энергии подчиняется закону» ~ Ц ^

б) инерционной областью, к которой принадлежат мелкомасштабные вихри с 1Г-100 + 300 и и С(Ю~ к"1,6;

г) вжзким'интервалом с 1^30 ы.

г 17 -

Близость полученных для области турбопаузы законов распределения энергии турбулентности по спектру к известным теоретическим зависимостям означает, что теория Колмогорова-Обухова макет быть с успехом применена и на высотах нижней термосферы. Спектральные исследования временных рядов параметров на различных : широтах показали, что представленная структура турбопаузц имеет ' глобальный характер. Тем не менее в широтном распределении амплитуд спектральных составляющих существует максимум . Получено танке, что в области турбопаузн зимой возрастает энергия, и появляемость нвазипериодичеоких составляющих о Т<140 иш по сравнению с летним периодом.

Исследования сээошю-широтннх изменений спектрального состава флуктуаций частотных параметров свидетельствуют о наличии в турбопаузе двух типов низкочастотных колебаний, один из которых обусловлен гармониками суточного прилива, другой - распространявшимися внутренними гравитационными волнами.

В шестом разделе рассматриваются вопросы генерации турбулентности на высотах нижней термосферы. Теоретические аспекты этой проблемы изложены в разделе I, здесь же били конкретизированы источники турбулентности на основе полученных экспериментальных зависимостей для параметров турбулентности и приливных составляющих ветра. Сопоставление экспериментально наблюдаемых и теоретически ожидаемых амплитуд суточного прилива на различных широтах в разные сезоны и интенсивности турбулентности позволило сделать вывод о том, что низкошаротный максимум турбулентности возникает в результате нелинейного разрушения суточного прилива.

Изучение модовой структуры полусуточного прилива показало, что в области турбопаузы на шроте ~ 56°М преобладает мода

(2,2), а на у — 30°М '- мода (2.4) солнечного термического прилива. -ЯоявДяемость коротковолновых мод полусуточного прилива больше, летом, чем зимой, особенно на шроте ~ 56°М . КромеЛ того, на

_широтах 45-55°М полусуточная составляющая скорости ветра на /г - 90-95 км летом имеет малые амплитуды (10-15 м/с) и большие вертикальные длины волн (Аг>100 км), а зимой - более коротковол-, новые моды <3 бояьшима амплитудами (20-25 м/с). Сопоставление изменений модобого состава полусуточного .прилива с высотой и широтой с соответствующими изменениями интенсивности турбулентности . убедительно доказывает, что коротковолновые моды полусуточного термического прилива возбувдаат турбулентность в области шрот 35 * 70°Н с максимумом вблизи би°н ;

Временные изменения действующих высот спорадического' слоя Е позволяли выделить волновые возмущения, сопоставимые с распространением внутренняя гравитационных волн в нижней термосфере. Анайча- таких возмущений, проведенный для шрот 38-Б6°Н, показал, что их появляемость возрастает в зимнее время. При этом волновые возмущения в области турбопаузн чаде наблюдаются на шроте ~ 56^1, •чзм не более етннх станциях. ■ : .

Показано, что'' сезонные изменения интенсивности вертикального турбулентного переноса на средних шротах обусловлены совместным действием BIB и коротковолновых мод полусуточного прилл-ва, причем, зимой преобладает вклад ВГЗ, летом - прилива.

Получено также, что внутренние гравитационные волны, возбуждаемые терминатором в нижней '*ермосфере, приводят к заметному росту интенсивности турбулентности только г периода равноденствия,• (ргда действие этого источника по теорспгсосют? расчета!«! максимальйо, В 30£ случаев наблюдаются дошлетдтелмкю составлшЕйо ъ спектрах параметров F<$ , , я тшя» олг^ппе час-

тотц спектральных мзжсппупов яак для вечернего, так и лля утреннего герминатора.

В "седьмом раздела показано, что динамические процессы в области турбопаузы зависят кац от внешних геофизических факторов, так н от метеорологических условия з пшней ятиоорврз. Ток, исследования временных изменений турбопйузн в годн иаксдауиа и рн-пимума солнечной активности обнаружит, что хотя характер вариаций не меняется с циклом солнечной активности, высота турбсгсаузг и интенсивносиь турбулентного переноса на ~ - 45° уменьшайте?! в годы максимума 11-летнего солнечного-пикла. Циклические вариации высот турбопаузы составляют 5-8 км, На ;Р> 45° отмечается тенденция к увеличению 1С, и высотн турбопаузы с ростом,солнечно" активности.

Кратковременный рост интенсивности солнечного излучения ес время вспышек, сопровождаемый обычно геомагнитна! возкущешек, такие вызывает изменения в турбопаузе. Анализ изменений высот турбопаузы с ростом возмущеняоети магнитного поля Земли, определяемой по суточной суше Кр-пндексов, показал, что.на ерздчтке широтах (. У - 4?-60°Ы,) наблюдается прямая зависимость мегду этими величинами, так что с увеличением геомагнитной антяваостч

возрастает. С уменьшением широты величина этого эффекта уменьшается, Отмечено, что в периода сильных геомагнитных бурь

граница аффекта смещается,.* югу.

Метеорологический контроль нижней ионосферы и области гур~ бопаузы особенно ярко выражен во время стратосферных потеплений. Было показано, что частотные параметры , связанные с интенсивность» турбулентности, претерпевают изменения в мзЕСИмум стратосферного потепления. Спектральные исследования обнару;.ллп для периодов потеплений усиление волновой активности и кругло- ■

масштабных вихревых образований в области турбопаузы. Определены скорости и направления перемещения планетарных волн. Сделан вывод, что во время потепления увеличение высоты турбопаузы сопровождается ростом интенсивности вертикального турбулентного переноса с временны?;-? запаздыванием ¿1=3 суток. Амплитуда этого эффекта также увеличивается с ростом шпроты и зависит от интенсивности потепления.

На примере стратосферных потеплений подтвержден физический механизм образования динамической структуры турбопаузы: термический прилив-"-крупномасштабные ячейковые вихри-—»турбулентность.

Полученная па ионосферным измерениям Ез модель высотно-гременктс изменений турбулентности была апробирована для широты 40°М" по, наблюдениям свечения зеленой лшши кислорода в Ашхабаде. Показано, что годовые вариации интенсивности свечения з значительно}! степени определяются изменениями вертикального турбулентного переноса. Проведенные расчеты концентрации атомного кислорода в максимуме слоя с использованием разработанной модели турбулентности с одной' стороны, и концентрации кислорода о оветяадеися слое, следуя чепмановскому механизму возбуждения эмиссии, с другой стороны, - дают согласующиеся между собой по порядку величины результаты. Таким образом, независимыми экспериментами подтверкдена адекватность разработанной нами модели турбулентности. , '

' ' ' : Зс?клтчение \

При БЦполненаи диссертационной работы-получены слодушие основные результаты. ,

.*.• .1, Предложен метод определения коэффициента зертлкашюго турбулентного переноса в нижней термогАере на освода чдаэренкя

параметров среднениротиого спорадического слоя Е. Показано, что величина диапазона полупрозрачное™ характеризует интенсивность турбулентных процессов на высотах ниже ПО км. Максимум появляемости Е^ находится в области турбопаузы.

2. Разработана оригинальная методика обращения <\( г ) -профилей Е3 в 2 ) с использованием данных.о высотном распределении скоростей нейтрального ветра. Результаты расчетов по предложенной методике удовлетворительно согласуются с дшшнми . прямых измерений и косвенными оценками коэффициента вертикальной турбулентной диффузии.

3. Получена глобальная эмпирическая модель пространственно-временных вариаций интенсивности турбулентности в области турбо-паузы, основные закономерности которой сводятся к следующему.

а) Суточная зависимость, Высота турбопаузы изменяется в течение суток: зимой преобладает суточная компонента, в остальное время года - полусуточная компонента вариаций. Турбулентность на высотах нижней термосферы наиболее интенсивна в полуденные и полуночные часы.

б) Годовые вариации. Интенсивность турбулентности и высота турбопаузы в области широт - (20 + 60°) испытывают полугодовые вариации с максимумами в солнцестояния, причем, летние значения превышают зимние.

Характер годовцх вариаций к^ и коэффициента вертикальной турбулентной диффузии меняется с шротой: на высоких широтах преобладает годовая компонента с максимумом зимой,',

в) Широтная зависимость, В области средних шрот емшштуда вариаций параметров турбулентности возрастает с узелзчениен сироты, достигая максимума вблизи 50 * 60°П . Второй максимум

в широтном распределении интенсивности турбулентности находится

- 22 -

на низких широтах вблизи 20°М .

. 3 изменениях высоты турбопаузы обнаружена асимметрия полушарий, так что минимум располагается на

г) Долготные изменения. Временные вариации параметров тур-булептности в нижней термосфере идентичны в различных долготных зонах, однако, их абсолютные значения могут различаться в зависимости от места расположения пункта наблюдения. При движении с запада на восток (Вапшнгтон-Аяига) уменьшается амплитуда сезонных вариаций параметров турбопаузы.

4. Определена динамическая структура турбопаузы, представляющая собой перемежающееся вихревые структуры различных маси-табов: крупномасштабныэ ячейковые вихря с горизонтальны»«! размерами 1,г - 120 г 330 км и вертикальными '« 5 * 10 км и турбулентные вихри с 1Г< 50 км. .

В спектра турбулентности наделен рад областей с характер-йнм распределением^ энергии: •

: - область Еиешяюс масштабов - С('к Ь-к"^, Цг—36 * 48 те; ; . ' - Архимедов интервал - С( к к 1г-1 + 25 км;

- инерционная область -С( 1< ¡< "1'6,1,,-Ш * 400 м. !}. Экспериментально дадтвервдено, что основным механизмом генерации турбулентности в нижней териСсфере является нелинейное разрушение коротковолновых мод солнечного термического прилива и средяемасштабных вга, возникавдих в мезосфере:

■; ' - низкоияротный максимум турбулентности обусловлен нестабильностью .суточного прилива,

;' - срэднешротный максимум турбулентности образуется 2 результате,. нелинейного взаимодействия коротковолновик мод полусуточного прилива и ЗГВ.

- 23 -

Показано, что сезонные изменения интенсивности турбулентности на различных широтах обусловлены конкурентным действием указанных источников, один из которых (прилив) максимален летом

на ^$60°, другой (ВТВ) - зимой на 50°Ы .

Внутренние гравитационные волны, возбуждаемые терминатором обнаруживаются в области турбопаузы на 40°к| только в периоды равноденствия. .

6. Представленная эмпирическая модель внсотно-вреиеяного распределения турбулентности в области турбопаузы апробирована по наблюдениям свзчегагя зеленой линии кислорода. Установлено, что турбулентность вносит определенный вклад-в годовые вариация концентрация атомного кислорода, •

7. Подтверждена концепция стратосферно-яоносфернюс связей и метеорологического контроля нижней ионосферы. Показано, что область турбопаузы подверквпа возмущениям планетарного масштаба, распространяющимся из тропо-стратосферы. В периоды стратосферных потеплений увеличение высоты турбопаузы сопровождается ростом интенсивности турбулентности. Амплитуда эффекта увеличивается с ростом широты и интенсивности потепления. В структуре турбопаузы отмечается усиление крупномасштабных вихревых образований и волновой активности.

Физический механизм образования динамической структуры турбопаузы подтвержден на примере стратосферных потеплений: термический прилив—-крупномасштабные ячейковые вихри—г-турбулентность.

8. Цриведены доказательства гелиореомагнитного воздействия на турбопаузу, которое сводится к следующему:

- в области шрот 44°3 - 46°ы существует отрицательная

корреляция высот турбопаузы и интенсивности турбулентности с солнечной активностью;

, - на > 46°М отмечается тенденция увеличения высот турбопаузы и интенсивности турбулентности с повышением солнечной и магнитной активности. В периоды сильных геомагнитных бурь происходит смещение границы аспекта к югу.

■ Основное содержание диссертации, отражено в следующих публн--кациях (порядок хронологический):

1. Корсунова Л.П. Суточные закономерности спорадического слоя Е и ветра в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. - 1969. -■Т. 9, Н. - С Л65-167.

2. Корсунова 1.П., Еывальцэва Т.Ф. Результаты анализа ракетных исследований Е-спорадического на. средних широтах // Исследование'по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца . - 1973. №27. - С.88-99,

3. Корсунова Л.П. Структура среднеширотного Ей по данным ракет н наземного радиозондирования // Геомагнетизм и аэрономия. -1974. - Т.14, Ж. - С.160-162.

4. Коршунова Л.П., Дурнэва Л. А. Роль нейтрального ветра в аэрономии Е-юбласги // Исследования по геомагнетизму, аэрономни И физике Солнца. - 1974. - №32. - С.3-8. -

5. Овезгельдиев О.Г., Корсунова Л.П. Фотохимия ионов щелочных металлов в области К // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1976. - М, -С.52-56.

6. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Бывольцеве Т.Ф. Вклад ветра в формирование и вариации основной высотной г они Е^

// Геомагнетизм и агрономия. - 1976. - Т.1С, >Э. - С.358-360. Овозгельднев О.Г., Корсунова Л.П., Бакалдина В.Д. Спорадлчес-

• - 25 -

кий слой Е как индикатор турбулентных процессов в' нижней терлчсфере // Физические процессы в верхней атмосфера. -Лш- . бад: ШШ, 1977. - C.26-3I.

8. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П. Турбопауза как специфическая зона верхней атмосферы. I // Известия АН ТССР. Сер. физ,-техн., хим. и геол. наук. - 1977. - #3. - 0.39-44.

9. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Бакалдика 33.Д. Турбопауза как специфическая зона верхней атмосферы. II // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1977. - М. -■С.42-47.

10. Овезгельдыев О.Г., Корсунова-, Д.П., Бакалдина В.Д. О сезонных вариациях вероятности появления Е-спорадического //Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1978. - ¡£4.

- С.59-62. , •

II., Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Горбунова Т.А. Определение коэффициентов турбулентной диффузии из ионосферных данных Ц Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук.

- 1978. - JK3. - С.42-44.

12, Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Бакалдина В.Д. О зоне повышенной турбулентности в Е-области ионосферы // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере, М. : Гидро-метеоиздат, 1979. - С.135-139.

13, Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Горбунова Т.А. Характеристика турбулентности а Е-области над Вашингтоном по наземным • и ракетным данным // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1979. - JS2. - С.66-70.

11, Корсунова Л.П., Ширламмедов М. Связь параметров нижней ионосферы и стратосферных потеплений // Известия* АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1980. - Я6. - C.2I-25.

15. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П.', Бакалдина В.Д, Сезонно-широпше вариации турбопаузн // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1980. - №3. - С.16-20,

16. Овезгельдыев О.Т., Корсунова Л.П., Горбунова Т.А. Годовые

о

изменения эмиссии 5577А ночного неба и спорадического слоя Е // Известия АН ТССР. Сер. йиз.-техн., хим. и геол. наук. - 1980. - №1. - С.29-33. .

17. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Горбунова Т.А. Влияние турбулентности на годовые вариации максимума слоя атомного кислорода // Известия Ж ТССР. Сер. физ.-техи., хим. и геол. (гаук. - 1981. - М. - С.47-51.

18. Корсунова Я.П., Овезгельдыев О.Г. О возможности определения коэффициента турбулентной диффузии в Ез - слоях // Теомаг-

■ нетиэм и аэрономия. - 1981. - Т.21, №. - 0.1124-1126.

19. Овезгельдыев О.Г,, Корсунова Л.П., Юсупов Н. К вопросу стря-тосферно-ионосгёерннх связей // Известия АН ТССР. Сер. физ,-техн., ам, и геол. наук. - 1Р82. - К5. - С.48-51.

20. Корсуноза Л.Б., Ширмдамадов М. О связи параметров нижней ионосферы и стратосферных потеплений // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере. - М.: Гидронетеоиз-дат, 1983. - С.204-206.

21. Корсунова Л.П., Горбунова Т.Д., Звдин К.А. Роль турбулентности в тепловом балансе ионосферн к нгасяс-й торлосферп // Известия АН ТССР. Сер, фпз.-техн., хим. и г зол. к.?ук. -1983. - И. - С.44-49.

22. Озезгельдыев О.Г., Корсунова Л.И., !Эсунвг< У. Д-зянке стратосферных лотзглонк?! на турбона.узу // Известия АН ТО'1?.Сир. фпэ.-техн., тип. !' гасл. наук. - 1383. - Л. - С.37->.[.

- 27 •23. Овезгельдиэз О.Г., Короуйсва Л.П,, Клрадааен Ю.', йсуно» JL Исследование структуры турбопаузи л периоды стратосферных потеплений // Известия АН ТССР.Сер. ^пэ.-техн.,хим. и геол. . наук. - 1S83.- & 5. - С. 91-94.

21. Корсунова Л.П., Горбунова 7.А., Бакалдшю В.Д. Вариации высоты спорадического слоя S е цикле солнс-чной ахтгшюстл//Ге-омагнетизм и аэрономия. - 1933. -Т.23,Л 2. - С. 313-315»

26. Корсунова Л.П.» Овезгельдыев О'.Г. Некоторые результаты изучения турбулентности я среднеширотной зоне по ионосферяк:.; данным // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере, - М,: Гидромегеоиздат, 1963. - С, 130-134.

26. Овезгелвдыев 0.Г.,Корсунова Л.П..Юсупов Н. Дространственные эффекты i-этепяений в среднесаротном Е-спорадическом // Геомагнетизм и аэрономия. - IS84, - Т.24,й I. - С. 131-133.

27- Ovezgeldiytiv O.G. , Korsunova L.P. , Karedzlieev Yu. Space and time variations and turbopause dynamical structure // КАР Handbook. - 1984. - Vol.10, - F. 183-187.

28. Карадааев Ю., Корсунова Л.П., Овезгельдаев О.Г. Спектральные характеристики параметров Ей е различных геофизических условиях // Тезисы докладов ХП Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. - М.: Наука, 1984. - T.I. - С. 87-вд.

29. Корсунова Л.П., Горбунова Т.А., Бакалдина В.Л. Влияние солнечной активности на вариации турбопаузы // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере. - М.: Гидроме-теоиздат, 1985. - С. 175-179.

30. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Юсупов Н. Динамический эффект стратосферных потеплений в слое // Исследование динамических проызссов в верхней атмосфере. - И.: Гвдрочо-теоиздат, 1965. - С. 142 -146.

31. Корсунова Л.П., Горбунова Т.А., Бакавдина В.Д. Влияние маг- , нитной активности на турбопаузу // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. -1985. - й5. - С.38-41.

32. Овезгегидаев О.Г., Корсунова Л.П., Карадааев Ю. Проявление

стратосферная потеплений в турбопаузе. //Тезисы докладов 2 семинара КАПГ по метеорологическим эффектам в ионосфере. -София, 1985. С.38-40.

33. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П. Турбопауза земной атмосфе-

-j

ры и-ее пространственно-временные вариации // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере. - М.: Гидрэме-теоиздаг, 1985. - С.74-79. , . .

34. Корсунова Л.П..Бакалдииа В.Д..Горбунова Т.А. Изменения пара-, метров турбопаузы с солнечной активностью //Известия АН ТССР, Сер. физ.-техн.,хим. и геол. наук. -1986. -J&3. - С.83-86.

35- Когошхоуа L.P..Gorbunova Г.A. .Bakaldina V.D. Variations of Ед parameters In different geophysical conditions // Acta Geod. Geoph. Boat. Huagi -1987. - Vol.22(1-2). -P. 183-190.

36. Koraunova L.P. A comparison of methods of turbulence determination based on ionospheric data // Acta Ceod. Geoph. Mont. Hung. -1987. - Vol. 22 (1-2). .- P. 275-281.

37. Корсуиова Л.П., Бакавдина В.Д. Экспериментальное подтверждение турбулентного происхождения неоднородностей Ej на средних широтах // Геомагнетизм к аэрономия. - 1987. - Т.27, S3. - С.497-498.

38. Ovezgsldiev 0.0. »Koratmova X. P. .Karadzhaev "fu, 5Ъе irreeu-lar structure of ths .¡aid-latitude -layer according to data of spectral analysis //'Acta Seod. Gaoph. Mont. Hung. - 1937*

- 29 -

- 7о1.гг, Я1/2. - Р. 233-240.

39. Корсунова Л.П. Годовые изменения турбопаузы в области широт 30-а0°М // Геомагнетизм и аэрономия. - 1987. - Т.27, М.

- С. 595-598.

40. Овезгельдыев О.Г., Корсунова Л.П., Михайлова Г.В., Бадалди-на В.Д. Широтные вариации параметров Е^ и приливных компонент ветра // Известия АН ТССР, Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1987. - №5. - С.81-84.

41. Караджаев Ю., Корсунова Л.П. Широтные изменения в спектре

// Геомагнетизм и аэрономия. - 1988. - Т.28, Я1. -С.133-134.

42. Корсунова Л.П. Сравнение различных методик определения коэффициентов турбулентной диффузии по ионосферным данным // Исследование динамических процессов в верхней атмосфере. -1988.

- С." 209-213.

43. Овезгельдыев О.Г., Карадааев Ю., Корсунова Л.П. Влияние солнечного терминатора на слой Ед // Геомагнетизм и аэрономия.

■ - 1988. - Т.28, №5, - С.857-859.

44. Овезгельдыев О.Г., Карацжаев Ю., Корсунова Л.П. О спектре амплитуды радиосигнала, отраженного от слоя // Геомагнетизм и аэрономия. - 1988. - Г.28, йб. - С.1024-1026.

45. Корсунова Л.П., Бакалдина В.Д. О ниэкошротных зонах генерации турбулентности нестабильного суточного прилива // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. наук. - 1990.

•' - №5. - С.23-25,

46. Овезгельдыев О.Г., Караджаев В., Корсунова Л.П. и др. Некоторые черты режима ветра нижней термосферы над Ашхабадом

по данным радиометеорных измерений // Метеорология и гидро-

-ЗО-

логюг. - 1991. - 19. - С. 51-57..

47. Овезгелвдыев О.Г., Корсунова Л.П., Караджаев Ю. Временные изменения интенсивности нерегулярных движений в метеорной зоне в равноденствие // Известия АН ТССР. Сер. физ.-техн.', хим. и геол. наук. - 1991. - Я2. - С.76-78.

48. Корсунова Л.П. Волновые возмущения в параметрах Е$ на средних шротах // Геомагнетизм ж аэрономия, - 1991. - Т.31, Я. - С. 192-194. !

Тираж /¿>и

Закал № Цуц

МГП «ГЛРЛАВЛЧ» АН Туркменистана 744012 г. Ашхабад, ул. Советских пограничников. !>2а.