Внутренние гравитационные волны

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сильное волновое возмущение температуры 13 января 2015 г. над Обнинском. Ниже 30 км - данные аэрологии (оранжевая линия), выше 30 км - данные лидарного зондирования.

Внẏтренние гравитациỏнные вỏлны (ВГВ) или инерциóнно-гравитациóнные вóлны (ИГВ) — одна из форм колебательных движений, которые существуют в атмосфере как упругой среде. Термин «гравитационные» в названии данного типа волн указывает на то, что сила тяжести является одним из факторов, определяющих существование ВГВ[1].

Механизм образования[править | править код]

Возникновение ВГВ происходит орографически, например, при обтекании горных массивов ветровыми потоками, при струйных течениях и т. д.[2]. Подобные процессы генерируют широкий спектр волн. При распространении вверх амплитуды волн экспоненциально растут из-за уменьшения молекулярной плотности воздуха. Рост продолжается до тех пор, пока температурные вариации dT/dh, вызываемые ВГВ, не становятся больше адиабатического градиента температуры. Начиная с этого момента ВГВ усиливают турбулентную диффузию, которая предотвращает дальнейший рост амплитуды. При этом ВГВ разрушаются, отдавая избыток энергии «среднему» движению воздушного потока[3].

Характеристики[править | править код]

Определение параметров ВГВ, обычно, из данных лидарного зондирования проводится как визуально, так и с использованием методов статистического (как правило Wavelet-) анализа. Согласно проведенным исследованиям[4][5][6], фазовая скорость ВГВ лежит в интервале 0.02-0.71 м, причем наиболее часто встречающиеся значения составляют 0.1-0.3 м, вертикальная длина волны находится в интервале 3-20 км; а период колебаний составляет 5-27 ч.

Область применения[править | править код]

Для оценки интенсивности волновых возмущений используется высотный профиль плотности потенциальной энергии ВГВ, который, как правило, вычисляют используя температуру по данным лидарного зондирования. Некоторые глобальные климатические модели с высоким разрешением используют эти данные для определения источника волн, изучения распространения и диссипации волн, а также для учёта передачи энергии в верхнюю стратосферу и нижнюю мезосферу. Согласно[7], высотный профиль плотности потенциальной энергии ВГВ определяется по формуле:

где h — высота над уровнем моря; g(h) — ускорение свободного падения; N(h) — частота Брента-Вяйсяля;  — среднеквадратичная величина температурных флуктуаций; T0(h) — средний температурный профиль. Частота Брента-Вяйсяля определяется формулой:

где сp — теплоёмкость воздуха при постоянном давлении; производная dT0/dh находится из лидарных измерений путём дифференцирования сплайна, описывающего гладкую часть спектра.

Источники[править | править код]

  1. Лидарный контроль стратосферы - Книги, изданные при поддержке РФФИ - Библиотека - Портал РФФИ. www.rfbr.ru. Дата обращения 20 апреля 2016.
  2. Госсард Э. Э., Хук У. Х. Волны в атмосфере: Инфразвук и гравитационные волны в атмосфере-их возникновение и распространение (рус.) // М: Мир : книга. — 1978. — Т. 1-2.
  3. R. S. Lindzen. Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown (англ.) // Journal of Geophysical Research: Oceans. — 1981-10-20. — Vol. 86, iss. C10. — P. 9707–9714. — ISSN 2156-2202. — doi:10.1029/JC086iC10p09707.
  4. A. K. P. Marsh, N. J. Mitchell, L. Thomas. Lidar studies of stratospheric gravity-wave spectra // Planetary and Space Science. — 1991-11-01. — Т. 39, вып. 11. — С. 1541–1548. — doi:10.1016/0032-0633(91)90081-K.
  5. R. Wilson, M. L. Chanin, A. Hauchecorne. Gravity waves in the middle atmosphere observed by Rayleigh lidar: 2. Climatology (англ.) // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. — 1991-03-20. — Vol. 96, iss. D3. — P. 5169–5183. — ISSN 2156-2202. — doi:10.1029/90JD02610.
  6. "Rayleigh Lidar Measurements of the Temporal Frequency and Vertical Wav" by X Gao, J W. Meriwether et al.. digitalcommons.usu.edu. Дата обращения 20 апреля 2016.
  7. James A. Whiteway, Allan I. Carswell. Lidar observations of gravity wave activity in the upper stratosphere over Toronto (англ.) // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. — 1995-07-20. — Vol. 100, iss. D7. — P. 14113–14124. — ISSN 2156-2202. — doi:10.1029/95JD00511.