Вы здесь

Збурення навколоземного космічного простору, викликані наземними джерелами енергії

Автор: 
Козак Людмила Володимирівна
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2003
Артикул:
0403U003605
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

розділ 2), підтвердивши тим самим концепцію турбулентної інтенсифікації на висотах мезопаузи та нижньої термосфери. Механізмом же передачі збурення від літосфери до іоносферних висот є атмосферні гравітаційні хвилі.
Атмосферні гравітаційні хвилі являють собою коливання атмосфери, природа яких в значній мірі визначається дією сили тяжіння. Одна властивість гравітаційних хвиль являє для нас особливий інтерес - це тенденція до росту амплітуди з висотою, що випливає із умови збереження енергії, коли густина газу з висотою спадає.
Гравітаційні хвилі мають деяке значення і в нижніх шарах атмосфери, але саме завдяки їх зростанню із збільшенням висоти роль їх в верхніх шарах зростає.
Спектр гравітаційних хвиль в атмосфері дуже широкий. Вони можуть мати періоди від декількох хвилин до десятків годин, причому припливи являють собою як раз АГХ з дуже великим періодом, що порівняний із земними добами. Класифікація АГХ приведена на рис.3.1.2 [93].
Період
30 хв 5 хв 1 сек 0.005 сек 10-4 секІоносферні хвиліДовго періодичні хвиліХвилі середньої довжини Коротко періодичні хвилі
Гравітаційні хвилі
Акустичні хвилі ІнфразвукДіапозон хвиль, який ми чуємоУльтразвук 10-6 10-4 ?в ?а 10-2 100 102 106
Частота
Рис. 3.1.2. Класифікація атмосферних хвиль. Де ?В і ?а частота Брента-Вяйсяля і акусто-гравітаційна частота.
Умови, що сприятливі для розвитку турбулентності найчастіше всього створюються поблизу атмосферних фронтів, в околі інверсійних шарів і тісно пов`язані з термодинамічним станом атмосфери і її гідродинамічними властивостями.
В атмосфері основною причиною виникнення турбулентності є втрата стійкості внутрішніх гравітаційно-здвигових хвиль. Цей процес починається із швидкого зростання амплітуди хвиль, після якого гребні "опрокидуются" і перетворюються в систему великих (так званих роторних) вихорів. Ці вихори з часом (причому інколи дуже швидко) руйнуються [96]. Нестійкість характерна в основному для шарів із сильно викривленними вертикальними профілями температури і швидкості вітру, наприклад поблизу тропопаузи.
Розповсюджуючись вгору в адіабатичному режимі ВГХ нарощує свою амплітуду по мірі зменшення густини атмосфери [97]. На висотах біля 100 км умови адіабатичності розповсюдження хвилі порушуються. Такий ефект найчастіше призводить до утворення порівняно тонких турбулентних шарів [98,99]. В тропосфері час життя таких шарів великий і вони можуть існувати довго після "виключення" хвильового джерела турбулізації.
В якості оцінки часу виродження турбулентності приймають ~ , де - густина турбулентної енергії, - питома швидкість в'язкої дисипації турбулентної енергії. За даними [100], на висотах 90 - 110 км для маломасштабної турбулентності ~ 20 - 50 м2?c-2 і ~ 0.5 - 1 м2?c -3, тому . Час розвитку турбулентності -, оскільки , (де - швидкість передачі енергії від середнього потоку до турбулентних вихорів за рахунок зсуву швидкості). Тому при розгляді турбулізуючого впливу припливів і низькочастотних ВГХ вважають, що турбулентність встигає пристосуватися до повільно змінних хвильових профілів вітру і температури.

3.2. Зміни параметрів турбулентності при проходженні ВГХ
Для чисельних розрахунків зміни турбулентності на висотах мезопаузи використовувалися спектральні рівняння турбулентності розглянуті в роботах [101, 102]. В цих роботах із використанням стаціонарних рівнянь для спектральних функцій ізотропних турбулентних полів швидкості і температури в термічно стратифікованій атмосфері при наявності сили тяжіння і напівемпіричних положень Ламлі - Шура [101, 102] отримані вирази для феноменологічних коефіцієнтів турбулентної в'язкості і температуропровідності , які створюються сукупністю вихорів із хвильовими числами в діапазоні від до .
(3.2.1)
(3.2.2)
де - турбулентне число Прандтля (, - константи), визначається за формулою:
, де - зміни швидкості вітру і з висотою,
- є безрозмірне число Річардсона:
, де і - фактичний і адіабатичний вертикальні градієнти температури, g - прискорення вільного падіння, Т - абсолютна температура повітря. Число визначає відносний вклад в генерацію кінетичної енергії турбулентності термічних (чисельник) і динамічних (знаменник) факторів.
Існує критичне значення числа Ri, таке, що при Ri Riкр турбулентність зменшується. По теоретичним і лабораторним оцінкам, значення Riкр приймає значення в інтервалі від 0.25 до 1. Не виключено, що значення Riкр для процесів розвитку і затухання турбуленності не однакові.
Область спектру розвиненої турбулентності ("інерційний інтервал") лежить в діапазоні , де . Просторові масштаби турбулентності не більші товщини шару (в іоносфері це значення 10 км - 20 км [103]). В атмосфері спадає з висотою, і залежну від висоти границю інерційного інтервалу визначають із співвідношення [99]:
, (3.2.3)
де кінематичний коефіцієнт в`язкості визначався за формулою:
, і , (3.2.4)
де , T0 - фонова температура, M - середня молекулярна маса повітря, - теплоємність при постійному об`ємі.
Вплив вертикальних зсувів вітру і температури на турбулентний режим у приведених вище співвідношеннях описується величиною , що входить до рівнянь (3.2.1) - (3.2.3). Ці формули мають фізичний зміст лише при , що відповідає умові , де і - динамічне і градієнтне число Річардсона відповідно.
При наявності хвилі та представляють у вигляді , , де , - фонові значення; , - хвильові складові. Тоді вираз для має вигляд:
, , (3.2.5)
Отже, для того, щоб визначити вплив ВГХ на турбулентність пот