Activity of Internal Gravitational Waves in the Atmosphere by Signal Fluctuations in Satellite Radio Occultation Observations

Внутренние гравитационные волны (ВГВ) представляют собой основной механизм генерации мезомасштабных неоднородностей скорости ветра, плотности и температуры в атмосфере. ВГВ активно участвуют в процессах переноса энергии, циркуляции и перемешивания в атмосфере [1]. Наиболее точную и подробную информацию о ветре и температуре обеспечивают радиозонды [2], [3]. Но по-настоящему непрерывные и глобальные исследования могут обеспечить только большие спутниковые системы. В настоящее время активно ведутся радиозатменные измерения излучений навигационных спутников GPS с помощью низкоорбитальных систем приемных спутников [4], [5], [6]. Высокостабильные радиоизлучения GPS используются для измерений атмосферного сдвига фазы и, на их основе, для восстановления профилей температуры. Так, например, система из 24 спутников GPS и 6 приемных спутников COSMIC обеспечивала до 3 тысяч сеансов измерений в сутки.

Понимание важности ВГВ в атмосферных исследованиях активно способствует внедрению новых способов спутникового мониторинга волн [1], [7]. В [8], [9] рассмотрены основные соотношения и изложена методика восстановления основных характеристик ВГВ по флуктуационным измерениям амплитуды радиосигнала в спутниковом эксперименте. В [9], [10] протестирована методика и приведены результаты широтного распределения параметров ВГВ по данным GPS-COSMIC. По восстановленным параметрам определялась потенциальная энергия волн, которая служит основным показателем активности ВГВ.

Целью данной статьи является подробное сравнение широтных распределений потенциальной энергии ВГВ с результатами других измерений – зондовых и спутниковых наблюдений в радио- и оптическом диапазонах длин волн.

Турбулентность и ВГВ генерируют неоднородности в атмосфере, которые вызывают флуктуации характеристик распространяющегося излучения. При оптическом зондировании они вносят примерно близкие вклады в флуктуации интенсивности сигнала [11]. В радиодиапазоне для GPS определяющую роль играют внутренние волны, а доля турбулентности пренебрежимо мала [8]. Поэтому спутниковые радиозатменные наблюдения являются удобным инструментом для исследования ВГВ. Общие корни радио- и оптического зондирований и их специфические особенности рассмотрены в [8], [12].

Свойства случайно неоднородной среды, в которой распространяется излучение, задаются трехмерным спектром относительных пульсаций индекса рефракции или температуры (без учета влажности) [13]. Использованная нами в [8] и [9] модель спектра [14] является трехмерным обобщением известного «универсального» спектра насыщенных ВГВ [15], [16]. В [8] и [9], на основе традиционных для затменных наблюдений аппроксимаций фазового экрана и слабых флуктуаций, получено простое соотношение для связи измеряемого вертикального спектра флуктуаций амплитуды радиосигнала с вертикальным спектром ВГВ флуктуаций температуры . Здесь – вертикальное волновое число, и – соответственно, флуктуации амплитуды сигнала и температуры, а и – их средние значения.

По восстановленным параметрам спектра ВГВ вычислялись интегральные энергетические величины, характеризующие активность ВГВ: дисперсия флуктуаций температуры и удельная (на единицу массы) потенциальная энергия [1], [3], [17]:

(1)

(2)

Здесь – частота Брента-Вяйсяля и – ускорение свободного падения.

По данным измерений GPS-COSMIC летом и зимой 2011 г. были восстановлены широтные распределения основных параметров ВГВ [10]. Восстановление производилось в полосах широт 0°–20°, 20°–40°, 40°–60°, 60°–90° обоих полушарий. По восстановленным параметрам определялись дисперсия флуктуаций температуры и потенциальная энергия ВГВ. В каждом сезоне были использованы серии по 20000 реализаций измерений. Параметры определялись в интервале высот от тропопаузы до 28 км.

Рисунок 1 - Широтные распределения потенциальной энергии ВГВ

Примечание: cтупенчатые сплошные линии – широтные распределения потенциальной энергии ВГВ для интервалов высот 16-24 км (красные) и 24-28 км (черные); вертикальные сплошные отрезки – результаты GPS измерений и наблюдений мерцаний звезд; штриховые отрезки – результаты зондовых измерений

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.41.1

На рис. 1 приведены восстановленные широтные распределения удельной потенциальной энергии [10]. Вертикальными отрезками разных цветов показаны результаты других авторов, полученные в данной полосе широт и высот: сплошные отрезки – результаты, полученные по GPS восстановленным профилям температуры [4], [17], [18], [21] и по наблюдениям мерцаний звезд [22], штриховые отрезки – результаты зондовых измерений [2], [3], [21], [23]. Высота отрезков соответствует оценке вариативности измерений, включающей в себя как ошибки измерений, так и естественную изменчивость параметров ВГВ. Следует отметить, что все сведения, использованные нами для сравнения, представляют собой результаты многолетних измерений, опирающихся на большие статистические базы данных. Так, например, результаты [4] получены по зондовым измерениям, которые проводились в течение 5 лет на 100 станциях зондирования, расположенных в северном полушарии от субтропиков до высоких широт.

Параметры ВГВ отличаются высокой пространственно-временной изменчивостью, и это хорошо видно на рис. 1. В этом плане характерными являются результаты зондовых измерений [2], полученные в течение 5 лет на одной станции зондирования. Вся база данных обрабатывалась по одним алгоритмам. При этом, спектральные амплитуды ВГВ могли меняться в 10 и более раз от реализации к реализации для схожих условий наблюдений.

Специфические особенности распределения потенциальной энергии рассмотрены в [10]. Здесь мы отметим только некоторые из них. Максимальные значения  характерны для экваториальной зоны. Это обстоятельство указывает на ведущую роль конвективных процессов при генерации ВГВ в тропиках [1], [4]. Высокие показатели активности ВГВ в этой зоне могут быть дополнительно связаны с волнами Кельвина [4], [5], [18]. Активность ВГВ уменьшается при перемещении от тропиков к полярным областям. В целом, потенциальная энергия распределена  примерно симметрично в обоих полушариях, но в высоких широтах северного полушария значения зимой в два раза выше, чем летом.

Как видно из рис. 1, наши результаты вполне удовлетворительно согласуются с результатами других работ, учитывая достаточно высокую вариативность параметров ВГВ. Отмеченная в наших наблюдениях повышенная зимняя активность ВГВ в полярной области северного полушария отмечается и в других работах. Зимой в полярной области южного полушария наблюдается заметный разброс значений потенциальной энергии – от высоких значений [4], [17], [22], [23] до умеренно повышенных [5], [19], [21]. В ряде работ [6], [18] (в том числе и в наших исследованиях) высокой зимней активности не наблюдалось. Отметим также, что повышенная активность ВГВ в полярных областях южного полушария, как правило, смещена ближе к августу-сентябрю.

Отметим следующие основные положения.

Разработанная методика позволяет восстанавливать основные параметры ВГВ в атмосфере по амплитудным измерениям сигнала в радиозатменных наблюдениях.

Результаты обработки данных измерений GPS-COSMIC показывают, что методика и полученные данные могут успешно использоваться для мониторинга ВГВ в атмосфере.