Калининград, Россия
Западное отделение ИЗМИРАН
Калининград, Россия
Калининград, Россия
Представлены результаты моделирования влияния стратосферных внутренних гравитационных волн (ВГВ), возбуждаемых в области развития внезапного стратосферного потепления (ВСП), на состояние верхней атмосферы. В численном эксперименте использовалась двумерная модель распространения атмосферных волн, учитывающая диссипативные и нелинейные процессы, сопровождающие распространение волн. В качестве источника возмущений рассматривались возмущения температуры и плотности в стратосфере в периоды ВСП. Амплитудные и частотные характеристики источника возмущений оценивались из результатов наблюдений и теории ВГВ. Результаты численных расчетов показали, что волны, возникающие в периоды развития ВСП на стратосферных высотах, могут порождать изменения температуры в верхней атмосфере. Максимальные относительные возмущения, создаваемые такими волнами по отношению к невозмущенным условиям, отмечаются на высотах 100–200 км. Возмущения верхней атмосферы, в свою очередь, оказывают влияние на динамику заряженной компоненты в ионосфере и вносят вклад в наблюдаемые ионосферные эффекты ВСП.
Внутренние гравитационные волны, внезапные стратосферные потепления, моделирование
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. Григорьев Г.И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере Земли (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 1. С. 3-25.
2. Карпов И.В., Кшевецкий С.П. Механизм формирования крупномасштабных возмущений в верхней атмосфере от источников АГВ на поверхности земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 4. С. 553-562.
3. Куркин В.И., Черниговская М.А., Марычев В.Н. и др. Особенности проявления зимних внезапных стратосферных потеплений в период 2008-2010 гг. над регионами Сибири и Дальнего Востока России по данным лидарных и спутниковых измерений температуры // Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 17. С. 166-173.
4. Шпынев Б.Г., Панчева Д., Мухтаров П. и др. Отклик ионосферы над регионом Восточной Сибири во время внезапного стратосферного потепления 2009 г. по данным наземного и спутникового радиозондирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10, № 1. С. 153-163.
5. Harada Y., Goto A., Hasegawa H., Fujikawa N. A major stratospheric sudden warming event in January 2009 // J. Atmos. Sci. 2010. V. 67. P. 2052-2069. DOI:https://doi.org/10.1175/2009JAS3320.1.
6. Jin H., Miyoshi Y., Pancheva D., et al. 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. V. 117. N A10323. DOIhttps://doi.org/10.1029/2012JA017650.
7. Kshevetskii S.P. Modeling of propagation of internal gravity waves in gases // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2001. V. 41, N 2. P. 273-288.
8. Labitzke K., Kunze M. On the remarkable Arctic winter 2008/2009 // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. N D00I02. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JD012273.
9. Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere-ionosphere coupling paradigm // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. Р. 1697-1702.
10. 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. V. 107, N A12. Р. 1468-1483. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009430.
11. 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.
12. Sumod S.G., Pant T.K., Lijo J., et al. Signatures of sudden stratospheric warming on the equatorial ionosphere-thermosphere system // Planetary and Space Sci. 2012. V. 63-64. Р. 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. V. 114. N D18108. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JD011867.
