ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2019, том 20, № 1, с. 5-12. https://doi.org/10.21455/gr2019.1-1

УДК 551.511.3: 551.509.313.11

Аннотация  Литература  Полный текст  Полный текст (англ.)

ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ГЕНЕРАЦИИ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АНОМАЛИЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА АТМОСФЕРНОЕ ТЕЧЕНИЕ

© 2019 г. Л.Х. Ингель(1,2,3), А.А. Макоско(2,3)

(1) ФГБУ “НПО “Тайфун”, г. Обнинск, Россия

(2) Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва, Россия

(3) Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии  при Президиуме РАН, г. Москва, Россия

В современных моделях геофизической гидродинамики поле силы тяжести обычно считается однородным и описывается с использованием одного параметра. Между тем известно, что на среднюю силу тяжести у поверхности Земли накладывается широкий спектр аномалий силы тяжести. Прежде всего это связано с неоднородностями распределения массы в земной коре. Вариации силы тяжести по абсолютной величине, конечно, очень малы по сравнению со средней силой, но существенно, что при наличии таких неоднородностей появляется составляющая силы тяжести, тангенциальная по отношению к общему земному эллипсоиду. В мезомасштабных моделях, в которых используются декартовы координаты (f-плоскость, бета-плоскость), это означает необходимость учета дополнительных объемных неоднородных сил с горизонтальной составляющей. По отношению к таким составляющим динамика атмосферы весьма чувствительна.

В недавних работах авторов показано, что аномалии силы тяжести в высокоаномальных регионах могут приводить к заметным динамическим эффектам, в частности, к генерации регулярных течений и внутренних гравитационных волн, но анализ этого явления пока ограничивался двумерными задачами. В настоящей работе сделан следующий шаг. В трехмерной постановке в линейном приближении аналитически исследована генерация внутренних гравитационных волн в атмосфере при воздействии трехмерных аномалий силы тяжести на атмосферное течение над плоской горизонтальной подстилающей поверхностью. Слагаемые в полученных выражениях для составляющих скорости и возмущения давления можно разделить на две категории. Слагаемые первой из них непосредственно описывают обтекание потоком эквипотенциальных поверхностей, не носят волнового характера (не содержат волн, распространяющихся по вертикали) и медленно затухают с высотой на тех же масштабах, что и аномалия силы тяжести. Слагаемые второй категории описывают внутренние гравитационные волны, фазовая скорость которых направлена вниз, а групповая – вверх; амплитуда этих волн в поле скорости экспоненциально растет с высотой.

Учет трехмерной геометрии аномалий силы тяжести может приводить к заметному изменению результатов по сравнению с рассмотренной ранее двумерной моделью. Помимо появления горизонтальных движений, перпендикулярных к фоновому потоку, может заметно меняться длина волны и вертикальный поток волновой энергии:  аномалии силы тяжести, вытянутые по потоку, могут приводить к меньшим по амплитуде возмущениям, чем “хребет”, ориентированный перпендикулярно фоновому течению.

Получено аналитическое выражение, показывающее, что упомянутый поток энергии пропорционален фоновой частоте плавучести, квадратам амплитуды аномалий силы тяжести и скорости фонового течения. Согласно численным оценкам, этот поток может быть заметным, хотя обычно он существенно уступает источникам внутренних гравитационных волн, связанным с рельефом.

Ключевые слова: аномалии силы тяжести, атмосферные возмущения, трехмерная аналитическая модель, внутренние гравитационные волны.

Литература

Гилл А. Динамика атмосферы и океана. Т. 1. М.: Мир, 1986. 396 с.

Ингель Л.Х., Макоско А.А. Генерация внутренних гравитационных волн при воздействии неоднородностей поля силы тяжести на атмосферное течение // Геофизические исследования. 2017а. Т. 18, № 3. С.60–66.

Ингель Л.Х., Макоско А.А. Возмущения геострофического течения под влиянием неоднородностей поля силы тяжести // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017б. Т. 53, № 5. С.579–587.

Ингель Л.Х., Макоско А.А. Об одном механизме влияния неоднородностей поля силы тяжести на динамику атмосферы // Журнал технической физики. 2017в. Т. 87, № 9. С.1312–1316.

Jarvis M.J. Atmospheric science: Bridging the atmospheric divide // Science. 2001. V. 293, N 5538. P.2218–2219.