СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИЛИВОВ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВ

© А.П.Капица, А.А.Гаврилов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и научное прогнозирование"
2010 г.

В докладе обсуждаются существующие модели атмосферных термических приливов, распространяющихся в средней атмосфере Земли – ближнем космическом пространстве (интервал высот 20-120 км). Представлены результаты многолетних исследований авторов по данной проблеме.

Описывается численная гидротермодинамическая модель дальнего волнового воздействия приливных возмущений (ПВ), инициируемых озоном и водяным паром атмосферы Антарктиды, на циркуляцию, температуру и перенос пассивной примеси в нижней термосфере над регионами России.

Приведены среднезональные численные модели поправок к фоновой циркуляции и фоновой температуре в нижней термосфере за счет диссипации и долготной дивергенции импульса полусуточного и суточного атмосферных термических приливов (АТП) на этих высотах. Отмечается, что максимального значения 20-25о поправки к фоновой температуре за счет «нагревания» полусуточным АТП достигают в полярной нижней термосфере обоих полушарий на высотах 110-120 км.

Представлена численная гидродинамическая модель нелинейного взаимодействия крупномасштабных волновых и мелкомасштабных стохастических (молекулярных) движений в средней атмосфере. Анализ результатов численных экспериментов на созданной модели позволил авторам сделать важный вывод о том, что нелинейные крупномасштабные процессы (например, атмосферный приливной ветер) с ненулевой плотностью спиральности (VrotV0) существенно усиливают стохастичные скорости «расплывания» облака частиц пассивной примеси, находящейся в зоне действия этих процессов, и приводят к появлению эффекта «наведенной» диффузии. Причем, коэффициент «наведенной» горизонтальной диффузии достигает значений 105 м2/с. Для проверки возможностей построенной модели результаты численных экспериментов для тестового случая одномодовой бегущей волны сравнивались с расчетами Я.Б. Зельдовича, полученными им ранее на основе аналитического решения уравнения конвективной диффузии и расчетами О.В. Кайдалова, П.Н. Свиркунова, полученными аналитическим решением уравнения диффузии для N частиц, находящихся в поле одномодового приливного ветра. Хорошее соответствие результатов численных и аналитических расчетов подтверждает адекватность разработанной численной модели реальным физическим процессам.

Сравнение оценок значения коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии, полученных ранее авторами по радиометеорным данным, с результатами численного моделирования на созданной модели показало, что диффузионные процессы в нижней термосфере вполне могут быть объяснены в рамках представлений о нелинейном взаимодействии крупномасштабных гидродинамических полей с мелкомасштабными стохастическими полями (молекулярной диффузией).

На основании этого делается вывод о том, что существующее в настоящее время представление о механизмах диффузионных процессов пассивной примеси в нижней термосфере как обусловленных мезомасштабной турбулентностью, должно быть дополнено выявленными в наших работах диффузионными механизмами.

На перспективу анализируются возможности нестационарной глобальной полуэмпирической модели атмосферных приливов для исследования гидродинамической неустойчивости зональных движений в тропосфере.

Для иллюстрации приведены результаты численных экспериментов по возбуждению (источник возмущений - лунный атмосферный полусуточный прилив) в типичном среднезональном движении в тропосфере основной неустойчивой баротропной моды (с симметричным уменьшением значений амплитуд от экватора до обоих полюсов и экспоненциальным спадом по высоте) с периодом порядка 20 суток и скоростью нарастания 3-5 суток.

Результаты проведенных численных экспериментов показали, что очень малые атмосферные гравитационные приливы, обусловленные Луной, могут вызывать огромные возмущения метеорологических параметров в тропосфере.

Полученные результаты позволили сформулировать авторам новый концептуальный подход к выявлению природы атмосферных процессов на Земле. В рамках этого подхода средние характеристики (нормы) метеорологических параметров (климат) обуславливаются и контролируются Солнцем, а отклонения от средних (погода) - в основном, формируются атмосферными приливами, в том числе и лунными, т.е. Луной.