Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Турбулентность и перенос примеси в страто-мезосфере и термосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Турбулентность и перенос примеси в страто-мезосфере и термосфере"

& .¡>"2 э'?:

Орден» Трудошго фасного Знамени

1'нституг прикладной геофизики имени академика Федорова Е. 1С.

ХЛНАНЬЯН АЛЕКСАНДР АШОТОШЧ'

УДК 551.5Ю.53£/5"5

ТЛ'ЕУДЗГГНОСГЬ И ПЕРЕНОС ПРИМЕСИ В СГРЛГО-ЫЕЮСФНРЕ И ТЕРМОСМРЕ

Специальность 04,00.22 -• геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

с-

Косква - 1991

Работа выполнена в Институте экспоримэнташгай метеорологии НПО "Тайфун"

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

стартаЯ научный сотрудник М,Н.Власов доктор физико-математических наук, ■ профессор А.И.Ивановский

доктор физико-математических наук, профессор А.А.Пярнуу

Ведувое учреждение - Институт физики атмосферы Защита состоится 25 марта 1992 года в П-00 часов на оасодашш специализированного совета Д.024.09.01 в Институте прикладное гоофигики имени академика Седорова Е.К. по адресу: 129128, г.Москва, Ростокинская ул.,9. С .чассертадиеЯ могшо ознакомиться в библиотеке Института прикладной г«х1изикп.

Автореферат разослан "_"_* 199 г.

Учёная секретарь ссецяагйзировашюго совета

Старкова А. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕЖСПШ РЛБОТИ - Актуальность тема. Турбулентность япляется важной составляющей динамических процессов средней атмосфера, она обеспечивает вертикальное перемешивание и постоянство относительного состава атмосферы до уровня турбопаузи. Турбулентный тепло- и нассоперенос играет исключительно важную роль в тепловом балансе к в формирован™ состапа нейтрально,1 атмосферы и ионосферы. Согласно современный представлениям, без всестороннего учета влияния турбулентных процессов невозможно построить адекватные теории теплового режима, циркуляции, газового и ионного состава мазосфери и термосферы. Знание характеристик турбулентных движении необходимо также для репештя таких фундаментальных проблем как: вклад турбулентности в метеорологический контроль аэрономических процессов; взаимодействие между стратосферой, иеаосферсП и термосферой и влияние отого взаимодействия на климат Земли; перенос ояона и других малых составляющих атмосферы; влияние турбулентности на диссипацию энергии внутренних волн. Вследствие указанных обстоятельств, в течение последнего десятилетия, вопросы исследования турбулентности включаются во все основные советские и международные программы исследования средней атмосферы, в том числе, и в такие крупные мевдународ-ные проекты как МАП и МАК. Исследования турбулентности средней атмосферы представляют интерес не только для геофизики, но и для гидродинамики, прежде всего, с точки зрения изучения природы турбулентных течений в устойчиво стратифицированных сдвиговых потоках.

В.прикладном, народнохозяйственном значении эксперимен -тальные исследования турбулентности и процессов переноса при-

меси в средней атмосфере и термосфере актуальны в связи с практической Необходимость» охраны окрзжиощеГС среды и оценкой уровня потенциальной угрозы загрязнения атмосферы выбросами двигателей крупнотоннажных ракет, продуктами взрывов и катастроф ракетно-космической техники, они необходимы для прогнозирования последствий активных воздействий и экспериментов, оптической прозрачности атмосферы, условии распространения'радиоволн и лазерного излучения, используемых для связи и дистанционного зондирования Земли из космоса, и для репедая ряда других геофизических и технических задач.

В настоящее время исследования турбулентности средне! атмосфер;! актиьио проводятся с помощью раэлич?«« методов, основанных яг наоеини,:, аэростатных, ракетных и спутиикоьых наблюдениях. Большее н адех-до возлагаются на быстро развивающиеся слоише радиотехнические наземные комплексы типа ^¿¿БТ-радаров. Однако, значительная часть отих методов основана на различных приближениях и дополнительных предположениях, позволяя получать преимущественно косвенные оценки параметров турбулентности, причем в ограниченных диапазонах высот средней атмосферы и вне связи с. внутренней структурой и динамиков турбулентных движений. В этом отношении использованный и настоящей работе метод искусственных светящихся (ИСО) и дымовых (ИДО) облаков является одним из наиболее эффективных и прямых методов исследования турбулентности и турбулентной диффузии в широком диапазоне высот. С помощью этого- метода за рубежом в 60-ые и 70-ые годы были получены наиболее известные данные о турбулентности средней атмосферы. Однако, для целостного описания структуры и природы турбулентности средней атмосфер« этих данных недостаточно, и это в значительной степени сдерживает развитие работ по иссле-

довашю к моделированию процессов мелкомасштабного переноса.

Уепью работы является экспериментальное исследование мелкомасштабной турбулентности, тонкой верткалшоП структуры поля скорости ветра во всем диапазоне высот средней атмосферу; построе;гое на отой основе моделей, списывающих высотный ход параметров м'чкомаеттабной турбулентности и процессы переноса и диффузии примесай, пригодных для практического усполъзования п задачах аэроьомии и экологии верхней атмосферы.

Научная новизна.

' 'в *

1. Разработан комплекс бортовой и наземной аппаратуры и

реализован метод исследования мэяксмасптабной турбулентности с помощью искусственных светящихся и дымовых облаков, образуемых с борта метеорологических ракет МР-12 и МЮОБ.

2. Впервые на единей методкчес кой основе получап-' шсстгше зависимости для основных структурах параметров иелкомасгатабноь турбулентности, определены диапазоны изменения этих параметров во всей толпр средней атмосферы.

3. На основе многочисленных натурных экспериментов, проведенных в ср< тих и полярных широтах, показано, что огноситель-

• ная диффузия искусственных светящихся и дымовых облаков подчиняется универсальным законам статистическая теории турбулентной диффузии пассивной примеси о поле однородной изотроЛной турбулеч-тности.

4. Для нижней термосферы получены универсальные .зависимости коэффициента турбулентной диффузии от пространственного масштаба вида К ~ С и

, идентифицированы законы "-3" и "-5/3'у позволяющие определить форму спектра энергии турбулентности в интервале равновесия и рассчитать значения эффективного коэффициента турбулентной диффузии с учетои

вклада мелкомасштабных вихрей из зтого интерсала.

5. Методом ИСО. ИДО определены амплитудные фазовые хеСракте-p}u "VK4 полусуточных мод приливного ветра, близких по вертикальной структуре к мсдам типа /З^и S^ • По многолетним данным стандартного ракетного зондирования атмосферы разработана суточная композиционная модель флуктуаций скорости ветре, на высотах страто-и мезосферн. Установлено на основе этой модели • существование в спектрах флуктуации скорости ветра устойчивых максимумов с периодом' Т — 2-5 часов и вертикальным масштабом 2-6 км. Определены масштаба корреляции неоднородного поля скорости ветра и в приближении нелинейной теории внутренних 'гравитационных волн для ;лапазоНа дысог 20-I2C км рассчитаны компоненты тензора диффузии, описывающего распространение примеси.под действием неоднородного случайного поля внутренних гравитационных волн.

6. Разработана полуэмпирическая модель,адекватно описывающая высотный ход основных характеристик мелкомасштабной турбулентности во всем диапазоне высот средней атмосферы. Разработаны численные »юдели ближнего и дальнего переноса консервативной примеси от локальных.мгновенных источников, позволяющие рассчитать наиболее вероятную траектории и поле концентрации анг. ропогенных выбросов,ракетно-космической техники на высотах сродней атмосферы и термосферы 3»мли.

»

На пащ'.-ту выносится:

1. Комплекс бортовой и наземной аппаратуры, усовершенствованные методики измерения, предназначенные для определения характеристик ;,(e.iK.-'Miram''.'*nofi турбулентности и тонкой ветггикаль-ной структуры поля скорости ветра в средней атмосфер!..

2. Экспериментально установленные высотные зависимости характеристик т>т>булентности, подтрерчдао-цие повсеместное существование т>о все!» толце средней атмосферы трехмерной изотропной мв1комяс«табпоЯ турбулситкостм, ограниченной масштабам

Л

порядка сстни метров на высотах страто-мезлсферы и масштабами порядка километра нь высотах нижней термосферы.

3. Полуэмпирическая модель мелкомасштабной турбулентности, адекватно описывающая высотный ход основных структурных пара -метров мелкомасштабной турбулентности и механизм её эчергоснаб- , жения аа счет наиболее короткопериодной и коротковолновой части спектра внутренних гравитационных волк.

4. Геофизические при;»ожения по разработке моделей ближнего и дальнего переноса консервативной невесомой примеси и их не -пользование в народнохозяйственных задачах прогноза антропогенного, загрязнения атмосферы в результате эксплуатации ракетно-космической техники.

Практическая значимость работы определяется тем, что по-лунрнные результаты экспериментальных исследований и теоретические модели могут быть использованы для поаданчя моделей состава, динамического и теплового режима средней атмосферы ч термосферы Земли, для решения широкого круга практических задач охраны окружающей среди, долгосрочного прогноза климата, активного воздействия на метеорологические процессы, а также могут быть применены для разработки новых технических средств связи и дистанционного зондирования Земли из космоса. Кроме того, по-1 лученные результаты расширяют наши знания о динамических про -цессах различных масштабов на высотах средней атмосферы. Созданные с участием автора ракетный комплекс аппаратуры и методика исследования турбулентности страто-мезосферы методом ИДО были использованы вентральной азрологической обсерваторией Госксм -гидромета СССР для калибровки развиваемого перспективного метода исследования турбулентности с помощью-дипольных отражателей.

Результата работы внедрены * вентральной аэрологической

обсерватории, Институте прикладной геофизики Госхо.лгидрометг. СССР, ШО "Пальма" и в ряде других организаций.

Работа выполнялась в Институте экспериментальной метеорологии нау"но-производственного объединения "Тайфун" Госкомгнд-рометь С-СР в соответствии с программами Г КИТ СССР, планами Госкочгидромета СССР, межд^наротнсй программой исследования средней .„ттесфары (МАП), договорами с заинтересовант'Ч'Л организациями.

Досторерность результатов й каучных положешй обеспечена большим объемом проведенных нлтурных экспериментов, тдаателььым анализом погрешностей измерений, использованием уникального на-зе;/ного и бортового оборудования, поиыенением независиьгых методик измерений, логической соязью и взаимной согласованность«) результатов. Она обеспечена контролем условий проведения экспериментов, сопоставлением д?нных с теоретическими и эксперимен-

0

таль'шми ре пульта гам;:, полученными другими методами.

Личный вклад автора. Основная часть экспериментальных и теоретических исследований и их анализ, представленные в дис -сертация, выполнены автором самостоятельно. Автор участвовал в проведении всех натурных экспериментов, результаты которых вошли в диссертацию, осуществлял планирование экспериментов и разработку методик измерений и обработки данных. В численных моделях переноса автору принадлежит постановка задачи, участие.в выборе алгоритма решения задачи, анализе и интерпретации результатов!. Автор являлся инициатором, руководителем и непосредственным участником работ.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывалиь - на семинарах, конференциях и Ученом Совете ИЭМ НПО "Тайфун",

на ссминарзх Института океанологии АН СССР, Института прикладной математики ЛИ СССР, Института физики атмосфзрн АН СССР, вентральной аэрологической обсерватории, Института прикладной геофизики Госксмгидрочета СССР;

- на.Всесоюзных конференциях, совещаниях и семинара-': по оптическим исследования*! верхней атмосфер« Тбилиси, 1^75 г.), г;о исследованию динамических процессов э верхней атмосфере ¡Обнинск, 1976 г., 1975 г.,. 1982 г.), по взаимодействий) космического вещества г. атмосферой Земли (Фрунзе, 1978 г.), по аэрологии (Москва, 1985 г.) по вяаимодейеттпго метсогологичееьих явлений с процессами в околоземном космическом пространстве (Москва, 1965 г.), по проблеме моделирования состава и дньаглтки свободной атмосферы (Суздаль, I960 г.), по проблема.)« стратифицированных течений (Юрмала, 1930 г.), по проблеме нееднародяой структуры ионосферч (Якутск, 1989 т.), по проблемъм физ"ки верхней атмосферы и динамики "СЗ (Одесса, 29Р? г.), по чтгемчтичес-ким моделям ближнего космоса (Ялта, 1920 г;

- па каждунАрочных конгрессах, симпозиумах, слве^зПкях: XXII и ХХУ1П соссу. х КОСПАР (Бангалор, 1979 г., Гаага, 1990 г.), симпозиуме но результатам исследований средней атмосферы (Алма-Ата, 1983 г.}. симпозиуме ГЛОЕКЕТ ПСадань, 1980 г.), си.упоаиуме по результата:.! мсоледоваття средней атмосферы (Душанбе,* 1969 г.). Результаты диссертации всели также п ряд национальных дсктадзп, представленных на сессиях КОСПЛР.

Основное содержите диссертации опубли. "--ано с цеи-.-,пяь -шх, зарубежных изданиях и тецтгнческих сб^ямхах, всего в 50 научных работах, п журналах "Сгсяика атмосфер* и океана" Изв. АН СССР; "Геомагнетизм и аэроиошя", "Астрономический вестник". Space Tieaearoh " Mop Uewolotter " и Дч.

По тем? диссертации зарегистрировано £ изобрйтзния. Разработанный ракетный комплекс аппаратуры для исслсдопгият турбулентности тратомээгефзрн был продстлялен на 'ггтор награжден серебряной медалью*.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введен»:л, 5 глав и заклччэния. Оча. содеряит 195 страницы текста, 95 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 277 названий.

Содержание работе

Ро введения обосноььшаегсп актуальность работе, её мссто а руду подобных исследований, формулируются цель и направление исследований, отмечается новизна полученных результатов, чх значимость и реализация, пригодятся оеиешч» положения и результаты, вьшееимки на защиту. Дано хрчтиое изложение содержания диссертации.

В первой глаг-е диссертации рассмотрен физические ослопы V. тзхника проведении экспериментов . 11С0. 15Д0, дан краткий обзор и перечень проведенных экспериментов, описаны наземная и бортовая еппа'ратура.

Для исследования турбулентности и тонкой вертикальной структуры скорости ветта Сало проведено более 50 ракетных экспериментов по образованно ИСО, ИДО на различных высотах п интервале от 20 до ~ 180 км в полярных. 'о.Хейса) и средних (пункт Волгоград) сиротах. Эксперименты проводились с помощь» метеорологических ракет МР-12, "-Ю0Б в вечергте, утренние сумерш к иочьи. Они включали одиночные пуски ракет, полусуточные серии из 3 пусков, следовавших друг за другом через 3-4 часовые интервалы, пар!;не запуски ракет (М-100Б) из дгух пусковых установок, последовательные запуски ракет через небольшие интервалы аремени.

Облака создавались в виде вертикальных cjenca протяженность« и 30-60 кн. Дчя образования искусственных светящихся облаков i;a высотах терыос<$еры использовались vepsr/'iecKue составы из солей натрия, нитратов и азидов лития, a также жизкиц состав из смеси триметилалюминия с триэтилалюунием. Для образования дымовых облаков ( состоящих из частиц субшкроиних размером) на п.'сотах стрэто-иезосферц также испольсовал/сь жидкие реагенты, такие как смесь триметнлалчмлиния с триэтилалшинкем, тетргхлортитан, сиось тетрахлортитана с водой, дизтилаасшшпугчхлорид, отил -алюми ни йд их л о ри д.

Специфика используемых,реагентов, высота проведения экспериментов, конструкции головных частей, в каторих размещалась бортовая аппаратура, потребовали разработки специальных генераторов, обеспечиваю-дих эффективную июкекцию реагента в атмосферу. Целочныз металлы испарялись в атмосферу пиротехническими генераторами, а жидкие реагенты - одно или двухкамэ рньш генераторами центробежного типа с регулируемой скоростью выброса.

Регистрация 1ÎC0, ИДО осуществлялась подвижным наземным оптическим комплексом аппаратуры. Б целях обеспечения триангуляционных измерений наблюдаемые облика фотографировались на фоне звезд, синхронно из двух разнесенных наземных пунктов наблюде -ния. Аппаратура позволяла проводить регистрации ИСО, ИДО в автоматическом режиме с переменными экспозициями в соответствии с условиями осЕйдешюсти и яркостью облака. В состав комплекса входили широкоформатные светосильные аэрофотоаппараты типа IIA-MK/25, БАФ-21/ç, БАФ-40, а также, одна из первых в СССР, элэктронно-оптическая фотокамера на ochobr ООП с магнитной фокусировкой, разработанная автором при содействии $ТМ АН СССР. Применение высокочувствительной электронно-оптической аппарату-

ры позволяло гбсгпе'пть регистрами» Сьмтропротви'аэтз'чх процессов турбулентной диффузии и проводить измерения турбулентных ¿[яук-•гуаций ярчости' НСО.

Новым з бго1 части иссяедоганий следует считать заработку оффекткзнык тсстаьов и гсязратороа, создание специальных типов головных частей кетоор&кет для образования ЯСО, ИДО, методику проведения совмещенных ракетйьх экспериментов, разработку вшо-кочурстБПтел'.нэй электронно-оптической аппаратуры, что позволило в результате получить новые данные о характеристиках турбулентной диффузии и тонкой вертикально!'! структуре скорости ветра в нироког/ диапазоне .шсот.

Бортовая и не.эЕ!Гг1ал аппзратуеа нашли широкое применение в практика геофизических и прикладных исследований верхней атмо-сферп.

Вторая гтава посвящена исследовании турбулентной диффузии НСО, ИДО на высотах от 20 до 120 км. Б ней изложена мгтодика фонометрических и астрскетричоских измерений базисных фотоснимков с изображением обликов и опорных звезд, привязка к которым использовалась для координатных'измерений, рассмотрены погрешности измерений скорости ветра и парметров диффузии, описаны результаты провзденных диффузионных экспериментов. В них основной акцент был сделан на. получении экспериментальгах данных о временной изменчивости относительной дисперсии

«О

-ста -

тистичеекой характеристики диффузии, определяющей поперечьые размеры диффундирующего облака примеси. Величина вы -

числялась по данным о распределении вещества в облаке и по его ьидимнм границам, определяемым в процессе фотометрической и аст-рометрической обработки фотоснимков ИСО, ИДО.

В результате-проведенных многочисленных измерений было

установлено, что временные зависимости V1-/ > соотпет<;т-пуч'цие .пиф^узии ИСО, ИДО под действием мелкомасштабной турбу -лентности, на различтпс эъсотах средней атмосфера могут быть рлроксимиропакнм известными универсальными зависимостями '1)-(31 статистической теории

nz "

(C

опкснвэлщпми диффузию примеси в поле однородной изотропной трехмерной турбулентности. Уравнения (I) - '3) были использованы для определения входящих в них структурах п.чраметров мелкомасштабной турбулентно

сти, а И1,:»нно, скорости диссипации тур !у— лентной онергии £ , величины турбулентной энергии V' ' , лагранжявого временного масштаба корреляции Т^ , коэффициента турбулентной диффузии К , а также характерных пространственных и преммтих масштабов турбулентности и их изменчивости от высоты и от пуска к пуску.

Для высот нижней термосферы впервые исследован также спеч-тралышй состав турбулентных флуктуацьй концентрации вещества в облаке, связанный с микроструктурой турбулентных лвихек^й. По -казяно, что амплитуды спектральных гармоник "конпентра;попных мод") с течением времени изменяются по экспоненциальному закону в соответствии с выраяением:

С(кт) = С (Ко) ехр (- k*K t) , - (4)

13

где С и С С - амплитуды спекттальных гармоник

концеятрации в момент £ и £ = О , Д - волновое число, К - коэффициент турбулентной диффузии, зависящий от вольочо-го числа. На основе зависимости (4) были вычислены значения }\ для различных масштабов. Показало, что К изменяется от 2 до ^Б • 103м2с~* в области масштабов 60 £ £ £ 3'10пм . При этом в доинерционной области масштабов интервала равновесг",

390 м, значения К увеличивались в соответствии с законом К £ ' а в "нерционнои ингериале турбулентности, при 3-10^^ ¿. £ З'Ю3 и - в соответствии с известным законом Ричардсона К ~ £ Для однородной трехмерной изотропной турбулентности подобные зависимости для коэффициента диффузии эквивалентны соотпетственш наклонам "-3" и "-5/3" в спектре э::ер-. гии турбулентности. Установленные зависимости для коэффициента „V", узиу К и спектров турбулентности были использованы для вы-числсстл вертикального профиля эффективного коэффициента диффузии К эфф., учитыв гч)Щйгс вклад в диффузию не только энергосодер-жвщих в'/хрей,чю и более мелких ьихрей, роль которых весьма существенна на высотах нижней термосферы. Полученный вертикальный-профиль К эфф. может быть рекомендован для использования в моделях верхней атмосферы, учитыг-ающих влияние турбулентного переноса на состав атмосфера. По величине значения К эфф. в несколько раз меньше значений К, характеризуют,их диффузию примеси под действием преимущественно энергосодержащих вихрей, и определяемых по линейно:.1}' режиму диффузии КСО, 5!ДО.

Для указанных пыле масштабов были также вычислены спектры турбулентных флуктуация плотности вецег.-вв в облаке '"инте. .альмой концентрации"). Расчета погазии, что спектры имеют максимум р сг^лгтг «китобое 1-1,5 гл •ь.'гсстаб э«лргос<-аср*аар1х вихрей или !ч»?ямх* *а<хт»б тур*ул»нг«остя), »"клон '-3" в интероа-

ле плавучести и наклон "-5/3" в инерционно.,! интервале. Существенным моментом в проведршшх-эксперньгснтах являлось хоролео совпадение значении судах и тех мо характерных иасетаСсв (внешнего масштаба турбулентности, масштаба плавучести, границ инерционного интервала), полученных различными методами.

В третьей главе диссертации рассмотрена совокупность полученных из диффузионных экспериментов значения основных параметров турбулентности, таких как /ч , С , V" , ^, и проЕгдвно сравнение представленных данных с оценками, полученными другими экспериментальными методами. Главное достоинство и новизна представленных б ней результатов связаны с тем, что впервые в целом для вссй толци средней атмосферы ка единой методической основе и на значительном окспер/ментальном материале получен наиболее широкий и внутрегаю не противоречивый спектр характеристик мелкомасштабной турбулентности. В частности, пс линейному режиму диффузии (3) были выполнены прямыэ оценки коэффициента турбулентной диффузии, соответствующие энергссодьр-жа!цим вихрям, построены высотшз профили К , необходимые для параметризации процессов переноса и перемешивания примеси энерго-содержащики вихрями мелкомасштабной турбулентности . Было установлено, что эти значения К равны, примерно, 1-4 А"* на вы-

•2 * Т

сотах 20-30 км, 10-100 н е - на высотах 60-70 км и достигают максимальных значен;!«1 порядка Ю3 м^ на высотах 95-105, км. Вид высотных профилей К свидетельствовал о флуктуациях интенсивности турбулентности с вертикальным масштабом в несколько километров.

Скорость диссипации турбулентной энергии £ ' определялась из кубического режима диффузии. Из режима (2) также определи -лись внутренняя и внешняя границы инерционного интервала. За

них принимались размеры сблака, соответствующие началу и концу кубического уеяима. Характерный временной масштаб турбулентности 1 ^ и внешний масштаб турбулентности определялась соответственно по моменту времени перехода к линейкому режиму диффузии (3) и ио размерам облака в отот момент времени. Величина турбулентной снергии 17 вычислялась с; помощью соотношения (3) по предварительно ктЪйтшм значениям К и . Важным параметром является микрсмасштаб турбулентности , имеющий смысл типичного размера внутреннего движения наименьших вихрей. Зе.щтчина вычислялись по известной формуле А.Н.Колмогорова = ^ ) ^ • В которую подставлялись значения £ ,

измгренныз б икг.пест«нте, и значения коэффициента молекуляр-т

ной диффузии У , сиргделяемыс- стандартной моделью атмосферы. Таким образом, непосредственно из диффузионных наблюдений были получены значения основ!Шх структурных параметров мелкомасштабной турбулентности и исследован характер их изменения как с высотой так и от пуска к пуску. Основные результаты при атом сводятся к следующему. На высотах средней атмосферы повсеместно (■¿дестьует фоновая трехмерная изотропная мелкомасштабная турбулентность, характеризуемая сравнительно небольшими внутренними «

числами Рейнольдса, имеющими порядок I 10я. Интенсивность турбулентности невелика и слабо растет с высотой в стратосфере,'заметно возрастает в меэосфере и достигает насыщения в нижней термосфере. Установлено, что на высотах стратосферы и мьэосферы турбулентность ограничена масштабами порядка сотни метров, а в нижней термосфере масштабами порядка километра при характерных временах порядка сотни секунд. Значения 17 и £ при отом

о

увеличиваются с ростом высоты соответственно от 5 10" до

50 м2с-2 и от З-Ю"3 до 0,5 м2 с"3: Микромаештаб турлулент-

2 2

ности увеличивается соотьетственно от 10" до 10 м, так

что вике слоя максимума отношение ^/^ бистро стремится к еди-ьяце и турбулентность вырождается.

В заключительной части третьей главы обсуждается достоверность результатов, проведен сравнительный анализ полученных дачных г экспериментальными и теоретическими результатам;« других авторов.

В четьертой главе диссертации на основе спектрального анализа вертнкалыых профилей зональной и меридиональной составляющих скорости ветра, полученных методом "/.СО, ИДО, и данных стандартного ракетного зондирования атмосферы на СР2А-М202, исследована высогно-временнал изменчивость поля скорости взтра з диапазоне масштабов внутренних волн. Впервые методом ИСО исследована вертикальная структура полусуточной .составлявшей приливного ветра. Показано, что во время проведения экспериментов, на высотах 80-140 км доминирующую рель играли полусуточные гармоники прилива, близкие по вертикальным волновым числам к модам типа и • Разложение полусуточного прилива на составля-

ющие типа и позволило оценить амплитуды и фазы зтих

мод и сравнить измеренные значения фаз с теоретическими. В результате впервые по наблюдениям ГСО получено удовлетворительное согласие между экспериментальными и теоретическими значениями фазы составляющих полусуточного прилива. Расхождения в среднем не превышали одного часа. С помощью взаимного спектрального анализа значений скорости ветра на различных высотных уровнях показано, что значительная часть флуктуация в значениях скорости ветра, "размывающая" дисперсионные и базовые соотношения, предсказываемые линейной теорией, приходится на мелкомасштабную часть спектра внутренних волн (тонкую структуру вертикальных профилей скорости ветра) с характерными периодамиТ^ 5-6 часов

1! .А^ ¿: Ю-15 км. В ю же вре!.:л иа поведения функций когерентности и сдвига фг_з следовало, что для приливных компснет скорости ветра устойчивые корреляционные связи ыоа,чу значениями скорости ветра на различных высотах уровнях сохранялись к при значительных перепадах высот дЕ 20т 25 км. По результатам измерений тонкой структуры скорости ветра, с учетом спектральных оценок пространственного масштаба корреляции неоднородного поля скорости ветра в диапазоне масштабов СГВ и на основе недонёйной теориу, и предложенной Вейнстокоы параметри-звцчи "волновой" диффузии, для различных уровней волновой а;;-тибностй рае "читаны' вертикалыше £>гг и горизонтальные -У,Л компонента тензора диффузии, описсваюя;вго диффузию примеси под пейстпием нерегулярного поля внутренних волн.

В этой ке главе рассмотрены механизмы нелинейного взаимодействия между ВГБ и турбулентностью. На основе теории гене -рации турбулентности в сдвиговом стратифицироьанном волновом потоке, развитой в работах Л.Л.Островского и Ю.И.Троицкой, и так называемой (£ - £ ) - модели турбулентности, разработана полуэм!*ирическая модель мелкомасштабной туроулентноси. на высотах средней атмосферы. Модель включает уравнение для энергии турбулентности %> скорости диссипации■турбулентной энергии . £, коэффициента турбулентности К, яагранжевого временного масштаба корреляции • В нее также входит уравнение "замыкания", связывающее внешний масштаб турбулентности ¿, с вертикальной длиной волны . Коэффициент С0 - универсальная безразмерная постоянная, определяемая ( £ - £ ) моделью турбулентности, коэффициенты С£ ч С^ - определяются экспериментально и зависят от высоты и вида спектров турбулентности и ВГВ.

V03

' п ' "* Г л '

Зхояными параметрами модели являются амплитуда и верти-

кальнее волновое число генерирующей волны, ответствен-

ной за энергоснабжение мелкомасштабной турбулентности. На высотах страто-мезосферы .-это могут быть наблюдаемые экспериментально волны с периодом менее 30 шнут и вертикальной длиной волны Д г ^ 5 км, а на -высотах тжньй терм о сферу волны с периодом до I часа и £ 10-15 хм.

Модель удовлетворительно списывает наблюдаемый высотный ход основных структурных параметров мелкомаептабной турбулентности, рис.1. Она может .Сыть рекомендована для описания широтной и сезонной изменчивости турбулентности при соответствующем

выборе параметров ЗГВ......

Модель также удовлетворительно описывает резу.тьтаты пря -мых натурных зкг.пернмгнчов по исследованию взаимодействия "волна-турбулентность".

В пятей главе рассматривается процессы переноса примеси в верхней атмосфере и околоземном космическом пространстве в связи с угрозой загрязнения окружаю-цеЧ среды в результате эксплуатации ракетно-космической техник*. В ней дана классификация источников антропогенного загрязнения верхней а .мо сферы и ОКП, рассмотрены основные динамические процессы, ответственные зь локальный и глобальный перенос загрязнений, описаны модели, раяработа»!Ные для расчета ближнего и дальнего переноса на высотах от 20 до *» 300 км консервативной примеси от ло -

ВиеотгшГ; ход параметров турбулентноеги

-- Эксперимент, —- модель FVc.I '

иалышх яьбросов ракетно-космической техник.:'РКТ).

"опель ближнего переноса предяюначека для оценок локальных уровней концентрации выбросов РКТ в течение нескольких часов з зонах, лримыкаищих к стартовом полициям. Недель основана на точном решении г.олуэипгир'лчсчгого уравнения диффузии с постоянными по времени, но .зависящими от высоты, значениями скорости ветра и коэффициентов турбулентной и молекулярной диффузии. ^ модели использованы вертикальные профили скорости петра и коэффициентов диффузии, лохученные в проведении: ракетных экспериментах с ИСО. ИДО.

Модель дальнего переноса основана на численном решении уравнения переноса и диффузии. Б згой модели также используются вертикальные профили коэффициентов турбулентной и молекулярной диффузии, получении? в экспериментах с ИСО, ИДО, а поле скорости ветра задается в соответствии п зонально естмдненьой моделью глобальной циркуляции мезо-термосферы, разработанной п ЗаиСибНш? Госкомгидромета. С помочью данной модели рассчитываются полз концентрации и траектория движет я ойлака примеси на временах порядка месяца. Расчеты проводятся на подвижной равномерной сетке с подвижными границами ^ чи;лом узлез 31x31x31 и переменными шагами по времени и по пространству. Шаг по горизонтали варьируется от 300 м до 100 км, шаг по вертикали - от 300 м до 10 км.

Численные эксперименты, проведенные с помочью данной модели, показали, что эволюционирующее в верхней атмосфере консерва-уквное облако выбросов РКТ в процессе распространения претерпевает следующие основные, стадии: а) чисто диффузионный этап, в течение которого облако переносится как одно пелое образование; б) затем, когда горизонтальные размеры облака достигают нескольких десятков километров, то становятся существенны и диффузия и

21

перенос; !<) на следующей оогдии, когда горизонтальные раздари о б лакп преш'иоюг несколько сотен километров, а ввргичятдо -несколько десятков, горизонтальная диффузия уже не играм су -цес-гаеьной рол:; в увеличении размеров облака и уменьшении ксн-гянграции ир'"моей й нем, главную рол^ '.траст горизонтальный износ; г) и, наконец, когда горизонталь!'!,:з размеры облака достигает тысячи километров м бол&?, становится также ьажнны и вертикальный перенос.

Г. этой главе приведены также данные моделирования пространственно-временной эволюции шбросов мелкодисперсггых частиц на околоземных орбитах. Покавано, «то существенное влияние на характер пространственно-временной эволюции скоплений этих частиц ока^лк.-л1) плотность атмосферы и скорость выброса.

ЗАКЛЮЧЕНИИ

Е результате проведения .¡аиболее многочисленных натурныз: экспериментов, их анализа и теоретического обобщения осуществлено решение научной гроблены создания усовершенствованной модели турбулентности средней атмосферы и распространен;« примеси, превосходящей по степени детализации и обоснованности ранее существовавшие модели, имезщой вакнее научное и народнохозяйственное значение. Эта модель дает исходны« данные для разработки общих моделей верхней атмосферы и позволяет более адекватно учесть влияние турбулентности и турбулентной диффузии на состав и температурный режим стратосферы", мезосферы и термосферы Земли, прогнозировать распространение антропогенных загрязнений, поступающих в атмосферу при работе двигателей крупнотоннажных ракет, в результате взрывов и катастроф ракетно-космической техники. |

I

С;:норнно результаты работа.

1. Разработана боргогая и наземная аппаратур*, усопсрти-стлопотние метоцики «амереяий и проимриы комплексное иптур»!«г эксперименты я сродних и полярных широтах по исследовании: ^ур-булептнсста, турбулентной диффузии к вертикальной структур!' пол:; скорости гетра, с помощью искусстпсшл/х спетят^хея гы-ло-глгх облакоз,

2. Устаноплено, что диффузия искусственных спетяцихся и дымовых облаков на высота"* средней атмосферы подчиняется универсальным закопан стгтиэтической теории турбулактьой ягффуяни пассивной примоси в попе однородной изотропной турбулентности.

3. Для атмосферы средних широт в чктервалк рнсот л- 20-120 км уточнены высотный ход и диапазон изменения осноннчх характеристик мелкомасштабной турбулентности, таких гаг коэффициент тут>~ бул?нтной ди[ф>узяи К , скорость диесипашти Т££рул?и'пюи рнергш*

с , кинетическая энергая турб,ул^ятности Г У , лягрантев временной масштаб 'корреляции- и др. Экспериментально подтверждено повсеместное еуцестпопплие ьо всей толш.е средней атмосферы трехмерно, изотропной турбулентности с характерным променом жизни вихрей порядка сотни с.екунц V. характерном масштабом ро -рядка сот1Ш метров на высотах стратом-ззосферу и порядка кило-мэтра на писотях ниячвй термоефери. Интенсивность турбулент -нос.ти растет с высотой, яоетиглч максимума в Н№Н?й термосфере л области высот Р5-105 км.

4. Для нижней тер.чосферм получены универсальные зяпюимос-ти коэффициента турбулентной диффузии от про.:тр1чственног-э мас-пгта6?1 ряда и К ~ , на осноко этих зависимостей определена г|орма спектра анергии турбулентности п интер?*-т" равновесия и пнчислочн значения эфф^ктигного ^оя^Т''

турбулентно» диффузии о учетом вкяада мелкомасштабных .вихрей из этого ннтерсаяа.

5. Опредзленк амплчтудные и фззовие характеристики полусуточных мод приливного ветра, близких по вертикальной структуре к под« типа 2*2*, • Методом искусственных сгс-я*лихср облаков подтверждены результаты наземны:: измерений, установлено, ¡:то в средних широтах н период летне-осенней циркуляции мода типа вносит значительный вклад в значения скорости ветра на высотах нижней терчосфсрч.

6. По многолетним даишм стандартного ракетного пондиропа-Ь'ия атыосф-еры разработана суточная композиционная модель флуктуации скорости ветра. Методами совместного спектрального анализа данных композиционной модели я вертикальных профилей скорости ветра, измеренных методом искусетгенкых дымовых облаков, э ко-роткопериодной части спектра флуктуация скорости ветра на высотах стратомвзосфери установлено существование устойчивых максимумов, соотвстстьуаци/. внутренним гравитационным волнам с периодов т — часов и вертикально:1, длиной воины — 2-6 км.

7. В приближении нелинейной теории внутренних гравитационных поли на основ« результатов спектрального анализ-' и данных измерений тонкой вертикальной структуры скорости ветра определены маептабы коррллячии флуктуачий скорости ветра в диапазоне масятабоп гчутренинх волн и вычислены компоненты тензора диффу-якг, списывающего распространение примеси под действием неоднородного случайного поля внутренних грагиттационних волн в интервале высот ~ 20-120 км.

С. Рассмотрен мехс.нкам энергоснабжения мелкомасштабно? турбулентности короткопериошшм,,1 внутренними грагчтатгимшыми волнам.: и разработана пэлугмпирическая >.'3.паль, адекватно глген-

валмая наблюдаемый ексотный ход основных структурных параиет-' ров турбулентности на высотах срздней атмосферы.

9, Проведен анализ источников антропогенного загрязнения средней атмосферы и тгрмосферы Земли в результате эксплуатации ракетно-космической техники. Разработаны численные модели ближнего и дальнего переноса консервативной невесомой примеси, поззоляющиэ рассчитывать наиболее зерояткув траектории и поло концентрации антропогенных выбросов ракетно-космической техники при их распространении в атмосфере в области высот от 20 до ЗОСкм.

Основные результаты представлены в следующих публикациях:

1. Аношкин В.Д., Меьч К,Л., Петров Г.Г., Косенкова A.B., Хьнаньян A.A. Опыт применения ЭОП для съемки искусственных облаков в верхней атмосфере // Экспресс-информация ЫШП.Я-!ЛЩ. Метеорология. - 1974.- Еш.1^32). - С. 19-20.

2. Косенкова A.B., Ханачьян А,Л. Электронго-оптшеская фотокамера для регистрации искусственных светящихся облаков и метеорных следов // Тр. ин-та / Ин-г экспериментальной ме^зо-рологии. - 1976. - Выл. 5(62). - С.Ю7-П0.

3. Х&чаньян A.A. Оценка коэффициента турбулентной диффузии по наблюдениям искусственного светящегося облака в верхней атмосфере // Тр.ин-та/ Кн-т экспериментальной метеорологии. -IS76. - Вып. 5(62). - C.1II-II6.

4. Лупенкс О.Н., Хьнаньян A.A. О коэффициенте турбулентной диффузии на высотах 17 и 115 км //Тр.ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1976. - Вып.5(62). - С.П7-121.

5. Катасёв Л.А., Хананьян A.A. Определение коэффициента турбулентной диффузии по фотографиям метеорного следа// Астрономический вестник. -19^7. - Т.Н. - Р 2. - C.ICÖ-I07.

fc. Хананьян A.A. Bothhvj градиента скорости ne-tpa ка интенсивность турбулентности в нижней термосфере // Тр.ин-та/ 1'н-т экспериментальной метеорологии. - 1978. - Вып. 6(74).-С.49-51.

7. Клюег О.Ф., Кет Ч.Л., Хананьян А.,А. Опыт применения аппаратуры с глектр'онно-оптгвдскими преобразователями для изучения верхней атмосферы с по&:;ьи искусственных светящихся облаков // i Всесоюз. симпозиум по оптическим исследованиям верхней атмосферы: Тез.докл. - Тбилиси, 1975. - С.61.

fi. Хананьян A.A. Определение коэффициентов турбулентной диффузии никней термосферы полярной области по наблюдениям искусственных светящихся облаков // Я Всесоюя. совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере: Тез. докл. - Обнинск, 1.975. - С.45.

9. Хананьян А.Л. Использование градиентных характеристик для оценки качества электронно-оптических изображений // Тр.ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии..- 1979. - Вш.9(85). -С.35-37.

10. Хананьян A.A. Влитие ветровых сдвигов на интенсив -ность турбулентности верхней атмосферы// Тр. ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1979. - Вып.9(85). - С.38-39.

11. Сычева В.Н., ^енаньян A.A. Турбулентная диффузия искусственных светящихся облаков и "закон четырех третей" Ричардсона // Тр.ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1979.-Вып.9'85). - С.40-41.

12. Андреева JI.A., Кат&сёв Л.А., Клюев О.Ф., Хананьян A.A. Температура и турбулентность верхней атмосферы по наблюдениям искусственных светящихся облаков // Проблемы метеорологии/

Под ред. В.П.Тесленко. - Ленинград, 1979. - C.I07-II5.

13. Хананьян A.A. Исследование турбулентного режима нижней термосферы полярной области // Исследование дчнамичестх процессов в верхней атмосфере / Под ред. Л.А.Катасёва. -Ленинград, 1979. - С.122-125.

14. Хананьян A.A. Скорость диссипации турбулентной анергии по наблюдениям за диффузией искусственных светящихся облаков // Геомагнетизм и аэрономия. - I9Ö0. - Г.20,- № 4. -С^Ьб-^.

15. Андреева Л./., Елашова И.В,, Катасёя Л.А., Клюев О.Ф., . Хананьян A.A. Термодинамические характеристики нижней термосферы над Волгоградом по наблюдениям и с кус ст ее иных светящихся облаков // Проблем солнечно-атмосферных связей. Эксперимент Солнце-атмссфера 1976/ Под ред. Г.А.Кокина. - Москва, ISQI-. -

С.53-66. . .

16. Хананьян A.A. Об устойчивости атмосферы :ta высотах 80-130 км // Тр. ин-та / Ин-т экспериментальной метеорологии. -1902. - Вып. ГГ'95). - ■С;74-77.

17. Хананьян A.A. Дальний след за ракетой и диффузия искусственных . 5лаков // Тр. ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1982 -Был. И (95). - С, 78-8?.

18. Андреева Л.А., Катасёев„Л.А., Хананьян A.A. Некоторые результаты исследования ветра н.а высотах 80-140 км // Тр.ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1983. - Вып.13(102). -C.J07-III.

19. Хананьян A.A. Оценки числа Ричардсона по ргзультатам измерания скорости ветра на высотах 80-130 км/ Тр.ин-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1983. - Вт.13(102). -C.III—2Г2.

£0. Хананьян я.Л. Исследования мелкомасштабной турбулентности средней атмосферы / Гр.ин-т?/ Мн-т экспериментальной метеорологии. - 1983. - Ьып.15(111). - С.50-55.

21. Хананьян A.A. Полусуточный прилив и турбулентность в нижней термосфере // Геомагнетизм и агрономия/- 1983. - Т. 23.- № 5. - С.781-765.

'22. Гирбузенко В.З., Сурков В.Т., Хананьян,А.Л. Измерс-я коэффициента турбулентной диффузии в страто-мезосфере средних широт// Изв. АН.СССР. Сер.ФАО. - 1983. - T.I9. - .» 10. -С. I0C9-IQ9I.

23. Хананьян A.A. Оценки структурных параметро- турбулентности в окрестности турбопаузы // Геомагнетизм и аэрономия. -1984. - Т.24, - ? 2. - С.326-328.

24. Ханакьян A.A. Вертикальная структура ветра и турбулентности в нижней термосферс средних широт // ^следование динамических процессов в верхней атмосфер.?/. Под ред. И.А.Лысеько. -Москва,.1985^ - С.59-63.

25. ХанАньян A.A. Оценки коэффициентов диффузии в средней атмосфере // Геомагнетизм и азронсмия. - I9B4. - Т.24. - fr 6,-C.I023-I025.

26. Гпрбузенко В.Ф., Хананьян A.A. Устройство для образования искусственных д"новых облаков в стратомезосферс // Тр.мн-та/ Ин-т экспериментальной метеорологии. - 1985. - Вып. 9'124). -

С.52-54.' ' ' t.

, 27. Хананьян A.A. Пространственно-временная структура поля ветра на высотах сргдней втыогферы // Геомагнетиз и аэрсно*-мия. - 1955. - Т.25. - * 3. - C.5I2-5I3.

28. Хг»наньян A.A. Суточная комппозиционная модель структуры вотр.-. и тур<'улснт);остг на вы-'-тах средней атмзсфсры// Космос м »!<»теорояггия/ Под тя?д. С.И.Авдошина. - Москва, 1987. -

слгс-К'Э. •

29. Хананьян A.A. Экспериментальные оценки характеристик мелкомасштабной турбулентности в средней атмосфере // Изв.АН СССР. Сер.ФАО. - 1988. - Т.24. 5» I. - C.S5-98.

30. A.c. I42907I СССР, MMi4 G01W1 /00/. Способ определения плотности атмосферы/Ю.II.Портнягин, А.А.Хананьян (СССР). -

I с.

31. Дорохова 11.В., Хананьян A.A. Об особенностях мелкомасштабной турбулентной диффузии пассивной принеси на высотах нижней термосферы // Геомагнетизм н аэронгшя. - 1903. - Т.2В. - № 5. -

С.874-676.

32. Хананьян A.A. Турбулентность и внутренние волны в средней атмосфера // Есесоюз. копф. проблемы стратифицированных течений: Тез.докл.- Саласпилс, 1908. - Т.2. C.6Ö-7I. .

33. Дорохова П.В., Хананьян A.A. Микроструктура турбулентности верхней атмосферы по наблюдениям за диффузией искусственных светли^хся и дымовых облаков // Тр.ин-та/ Ин-г экспериментальной метеорологии. - 1990. - Вып. 21(143). - С.47-50.

34. Дорохова И.В., Хананьян A.A. О спектрах флуктуаций скорости ветра в средней атмосфере //Тр.ин-та/ Иц-т экспериментальной метеорологии. - 1990. - Был.21(143). - С.5-52.

35. Гаврилов A.A., Зуева З.Е., Хананьян A.A. Проблема антропогенного загрязнения верхней атмосферы и околоземного космического пространства. Моделирование пространственно-временной эволюции облака микрочастиц на околоземной орбите // Наблюдения искусственных небесных тел. - 1990. - № 86. - 4.2. - С.166-174.

36. Шуикова В.В., Хананьян A.A. Экологические аспекты воздействия ракетно-космической техники на магнитосферу и бглхний космос // Геомагнетизм и аэрономия. - Ii9I. - Т.31. - № 3.

С.570-572.

37. Andreeva L.A., Ivanova I.Ii., Katasev I.A., JCokin O.A., Klyuev O.P., Rybin Yu.IJ.. Speransky K.E., Khar.an jan A.A. L'aasursaerit of thermodynamic and dynamic atmospheric parameters over Volgograd In august 1976 // Space Research.-1900.-V.20.- P. 69-73.

36. Khananj&n A.A. Some investigation results of the vertical structure of wind and turbulence in the aiddlo atmosphere // Middle atnoapfcgra program. Hsv/oletter.- December, 1S83.-P. 4-5.

39. Garbuzer.ho V.P., Koaenkova A.V., Qianenyan A.A. Some observât ioaal data on internal waves and turbulence at 50-60 loa he lent a // Uiddio atœocphere prcjraüi. newsletter.- September, 19Q4.- P. 5-S„

40. Dorokhava I.V., Khananyan A.A. Parameter.* cf small-scale turbulence in the' middle atmosphere // Second OIOBMET symposiums Abatracts.-Koscow, 1903.- P. 4-5.

41. Khananson A.A. DynssicB and transfer in the middle atmosphere iron resultq of rocket sounding H Middle atmosphere study. International symposium, Dushanbe: Abstracto.-Moscow, 1989.- 28-29.

42. Khananyan A.A. Small-scale turbulence and internal gravity waves In the middle atmosphere from rocket sounding // • Twenty-eighth plenary meeting of the Committee on Space He-search: Abstracts.- Hague, 1990.- 15Ö.

43. Gavrilov A.A., Zueva Z.V., Portnyagin ïu.I., Khananyan A.A. Simulation of space-time evolution of the man-made particulate cloud in low orbits // ÏSventy-eighth plenarj meeting

of the Committee on Space Research: Abstracts.-Hague, 1990.-P. 186.