Направления исследований в научной группе

Теоретические и экспериментальные исследования атмосферных волн, и их воздействия на ветер, температуру и газовый состав

(проф., д.ф.-м.н. Н.М. Гаврилов, доц., д.ф.-м.н. А.В. Коваль)
     В атмосфере постоянно наблюдаются периодические изменения всех гидродинамических величин: ветра, температуры, давления и плотности, а также концентрации ее газовых компонент. Среди основных источников этих колебаний, называемых волнами, обычно рассматриваются конвективные процессы, турбулентность, обтекание неоднородностей топографии земной поверхности набегающим потоком, неравномерность нагревания атмосферы солнечным излучением и многие другие.

Рис. 1: Климатология геопотенциальных высот (масштаб в км) для января при 0,1 (а), 1 (б) и 10 гПа (в), 1979–2013 гг. Горизонтальная ось, долгота; вертикальная ось, широта (Lastovicka et al., 2017)

     Амплитуда атмосферных волн растет с высотой вследствие уменьшения плотности атмосферы. При этом, диапазон частот наблюдаемых волн широк: от частот звука до колебаний с периодами в годы. В верхних слоях атмосферы волны представляют собой доминирующую форму движения, определяющую перенос энергии и импульса между ее различными слоями, поэтому подробное изучение механизмов волновых взаимодействий в разных слоях атмосферы, и их влияния на глобальную атмосферную циркуляцию, является чрезвычайно важной проблемой.

Рис. 2. Схема генерации орографических (горных) волн за счет взаимодействия воздушного потока с топографией. (Tsuda, 2014).

     На сегодняшний день численное моделирование является наиболее мощным инструментом, позволяющим изучать взаимодействие различных атмосферных процессов и их относительный вклад в формирование динамического и температурного режима атмосферы. Так, моделирование позволяет производить «идеализированные» исследования тех или иных процессов, подразумевающие отсутствие наложения других процессов, которые могут вносить дополнительную неоднозначность в результаты исследований. Кроме этого, использование численных моделей позволяет рассматривать ансамбли решений, проводя серии расчетов для одних и тех же климатических условий, что способствует повышению статистической значимости получаемых результатов.

    Список публикаций на волновую тематику представлен по ссылке.

Исследования мезомасштабных и планетарных волн в атмосфере

    Исследования генерации и распространения внутренних гравитационных волн (ВГВ) в диапазоне периодов ~ 0.5–5 час посредством численного моделирования и обработки измерений различными наземными и спутниковыми методами. Разработка параметризаций (приближенных методов) для учета воздействий ВГВ на ветер, температуру и газовый состав атмосферы и выявление этих воздействий при моделировании циркуляции в масштабе всей атмосферы. В перспективе – разработка точного решения нелинейной задачи генерации и распространения ВГВ с реализацией его на суперкомпьютере.

Экспериментальные исследования глобальных волн атмосферы

    Исследования механизмов генерации и пространственной структуры короткопериодных глобальных волн атмосферы (собственных колебаний атмосферы и атмосферных приливов) в диапазоне периодов ~ 1–5 час. на основе барометрических и сейсмометрических измерений. В перспективе – исследования собственных колебаний атмосфер Марса и Венеры как индикатора динамического состояния этих атмосфер и поиска механизмов возбуждения собственных колебаний твердой Земли.

Исследования переноса неравновесного излучения в колебательно-вращательных полосах молекул в планетных атмосферах

     Посредством совместного решения уравнений переноса в колебательно-вращательных (К-В) полосах и уравнений кинетики колебательных состояний молекул в атмосферах Земли, Марса и Венеры исследуются степень возбуждения этих состояний, интенсивность излучения в К-В полосах и их вклад в тепловой баланс атмосферы. Исследования служат определению состава планетных атмосфер и изучению системы их движений. В перспективе планируется моделирование неравновесного излучения в атмосферах экзопланет.

Исследование фотохимических процессов в верхней атмосфере Земли

     Исследование процессов фотодиссоциации О2 и О3 в верхней атмосфере Земли в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной области спектра Солнца с помощью впервые разработанной модели переноса энергии между электронно-колебательно возбужденными состояниями молекул кислорода, являющимися продуктами фотолиза О2 и О3. Используя оптические эмиссии из указанных состояний, в рамках модели удалось разработать новые дистанционные методы определения концентраций озона и атомарного кислорода в интервале высот 50–140 км. В перспективе – создание спутникового метода, работающего в режиме реального времени.

     Список публикаций по тематике фотохимических процессов представлен по ссылке.

_____________

Lastovicka, J., Krizan, P. and Kozubek, M. Longitudinal structure of stationary planetary waves in the middle atmosphere – extraordinary years // Ann. Geophys., 36, 181–192, 2018 https://doi.org/10.5194/angeo-36-181-2018

Tsuda, T. Characteristics of atmospheric gravity waves observedusing the MU (Middle and Upper atmosphere) radarand GPS (Global Positioning System) radio occultation //Proc. Jpn. Acad., Ser. B 90 (2014)