Kaliningrad, Russian Federation
WD IZMIRAN
Kaliningrad, Russian Federation
Kaliningrad, Russian Federation
We present results of modeling of the effect of internal gravity waves (IGW), excited in the region of development of a sudden stratospheric warming (SSW), on upper atmospheric conditions. In the numerical experiment, we use a two-dimensional model of propagation of atmospheric waves, taking into account dissipative and nonlinear processes accompanying wave propagation. As a source of disturbances we consider temperature and density disturbances in the stratosphere during SSWs. Amplitude and frequency characteristics of the source of disturbances are estimated from observations and IGW theory. Numerical calculations showed that waves generated at stratospheric heights during SSW can cause temperature changes in the upper atmosphere. Maximum relative disturbances, generated by such waves, with respect to quiet conditions are observed at 100–200 km. Disturbances of the upper atmosphere in turn have an effect on dynamics of a charged component in the ionosphere and can contribute to observable ionospheric effects of SSW.
Internal gravity waves, sudden stratospheric warmings, modeling
ВВЕДЕНИЕ
Внутренние гравитационные волны (ВГВ) являются важным механизмом связи процессов в нижней и верхней атмосфере. Распространение ВГВ из нижних слоев существенно влияет на многие явления в атмосфере и ионосфере [Pancheva, Mukhtarov, 2011]. Одним из примеров реализации таких связей между динамикой нижних и верхних атмосферных слоев являются ионосферные возмущения в периоды внезапных стратосферных потеплений (ВСП).
ВСП — явление резкого, до 80° за несколько дней, повышения температуры стратосферы в области высоких широт. Характерный масштаб нагретой области может достигать 4000 км вдоль долготы. ВСП наблюдаются в зимнее время преимущественно в Северном полушарии [Harada, et al., 2010]. На сегодняшний день накоплено большое количество данных о потеплениях. В то же время до сих пор нет полного теоретического описания механизма возникновения и эволюции ВСП. Наиболее распространенной является гипотеза о взаимодействии зонального ветра и планетарных волн в стратосфере [Labitzke, Kunze, 2009].
Важной особенностью ВСП является их воздействие на атмосферные процессы вне области потепления. В частности, в исследованиях [Pancheva, Mukhtarov, 2011; Polyakova et al., 2014; Шпынев и др., 2013] было отмечено влияние ВСП на различные ионосферные параметры, такие как критическая частота F2-слоя (foF2), высота его максимума (hmF2) и полное электронное содержание (ПЭС). Особый интерес представляют сведения об изменениях параметров ионосферы на нижних широтах, удаленных от области ВСП на тысячи километров [Sumod et al., 2012]. На основании анализа длительных наблюдений было выдвинуто предположение, что причиной реакции верхней атмосферы и ионосферы на ВСП является усиление приливной активности на высотах нижней термосферы, которое приводит к изменению электрических полей в динамо-области ионосферы и соответствующим эффектам в ионосфере. Результаты модельных исследований в целом показывают, что различные схемы усиления приливных вариаций в нижней термосфере в периоды ВСП позволяют качественно воспроизвести пространственно-временные особенности ионосферных возмущений, однако теоретические амплитудные характеристики оказываются значительно меньше наблюдаемых.
Наблюдения показывают, что временная задержка в возникновении возмущений в нижней атмосфере и ионосфере весьма незначительна в сравнении с длительностью существования ВСП и периодами планетарных волн. Можно предположить, что в качестве физического процесса, обеспечивающего быструю реализацию связей динамики нижней и верхней атмосферы, могут выступать ВГВ, возбуждаемые в области возникновения ВСП. В экспериментальных исследованиях действительно приводятся данные наблюдений, свидетельствующие об усилении волновой активности ВГВ в условиях ВСП [Wang, Alexander, 2009]. В теоретическом исследовании [Карпов, Кшевецкий, 2014] показана высокая эффективность таких волн, распространяющихся из нижней атмосферы, в формировании крупномасштабных возмущений верхней атмосферы.
Цель настоящей работы заключается в исследовании возможности возбуждения ВГВ, способных распространяться в верхнюю атмосферу, вследствие возмущений параметров стратосферы в периоды ВСП.
1. Grigoriev G.I. Acoustic-gravity waves in the Earth's atmosphere (review). Izvestiya Vuzov. Radiophysics [Radio Physics and Quantum Electronics] 1999, vol. XLII, no. 1, pp. 3-25 (in Russian).
2. Harada Y., Goto A., Hasegawa H., Fujikawa N. A major stratospheric sudden warming event in January 2009. J. Atm. Sci. 2010, vol. 67, pp. 2052-2069. DOI:https://doi.org/10.1175/2009JAS3320.1.
3. Jin H., Miyoshi Y., Pancheva D., Mukhtarov P., Fujiwara H., Shinagawa H. Response of migrating tides to the stratospheric sudden warming in 2009 and their effects on the ionosphere studied by a whole atmosphere-ionosphere model GAIA with COSMIC and TIMED/SABER observations. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, A10323. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA017650.
4. Karpov I.V., Kshevetskii S.P. Mechanism of formation of large-scale disturbances in the upper atmosphere by acoustic gravity wave sources on the Earth's surface. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2014, vol. 54, no. 4, pp. 553-562. (in Russian).
5. Kshevetskii S.P. Modeling of propagation of internal gravity waves in gases. Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2001, vol. 41, no 2. pp. 273-288.
6. Kurkin V.I., Chernigovskaya M.A., Marychev V.N., Nikolashkin S.V., Bychkov V.V. Effects of winter sudden stratospheric warmings over Siberia and Russian Far East in 2008-2010 according to lidar and satellite measurements of temperature. Solnechno-Zemnaya Fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2011, vol. 17, pp. 166-173 (in Russian).
7. Labitzke K., Kunze M. On the remarkable Arctic winter 2008/2009. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, no. D00I02. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JD012273.
8. Pancheva D., Mukhtarov P., Stratospheric warmings: The atmosphere-ionosphere coupling paradigm. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, pp. 1697-1702.
9. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C., NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, pp. 1468-1483. DOI: 10.1029/ 2002JA009430.
10. Polyakova A.S., Chernigovskaya M.A., Perevalova N.P. Ionospheric effects of sudden stratospheric warmings in Eastern Siberia region. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014; 120:15-23.
11. Shpynev B.G., Pancheva D., Mukhtarov P., Kurkin V.I. Ratovsky K.G., Chernigovskaya M.A., Belinskaya A.Yu., Stepanov A.E. Ionosphere response over Eastern Siberia during the 2009 sudden stratospheric warming from data of ground- based and satellite radio sounding. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa [Current problems in remote sensing of the earth from space]. 2013, vol. 10, no 1, pp. 153-163. (in Russian).
12. Sumod S.G., Pant T.K., Lijo J., Hossain M.M., Kumar K.K. Signatures of sudden stratospheric warming on the equatorial ionosphere-thermosphere system. Planetary and Space Sci. 2012, vol. 63-64, pp. 49-55.
13. Wang L., Alexander M.J. Gravity wave activity during stratospheric sudden warmings in the 2007-2008 Northern Hemisphere winter. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, no. D18108. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JD011867
