WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В § 2.4 исследовано влияние вертикального ветра КДВ. Показано, что (1) периодический перенос вертикальной компонентой скорости ветра приводит к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра : в результате быстрых переходных процессов устанавливается то из двух возможных значений, которое сильнее отличается от значения ; (2) данный эффект имеет порог по амплитуде осцилляций ветра, величина существенно зависит от величины разности между и начальной фазой фотохимических осцилляций; (3) эффект захвата фазы обуславливает формирование регулярного зонального распределения МГС верхней мезосферы и их фазы осцилляций с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны. (4) резкие степ-образные скачки фазы вертикального ветра КДВ в меридиональном направлении приводят к появлению соответствующих скачков фазы фотохимических осцилляций; (5) в случае, когда период волны существенно отличается от = 48 ч, возникают мультипериодические осцилляции МФХС с периодами и ; (6) минимальные амплитуды волны, необходимые для возникновения указанных эффектов, оказываются заметно (~ в 10-40 раз) меньше своих максимально возможных значений в реальных условиях мезопаузы.

В § 2.5 исследовано влияние на захват фазы двух других факторов: переноса средним зональным ветром и горизонтальной компонентой скорости ветра волны. В данном параграфе, во-первых, показано, что наиболее существенные изменения могут возникать в результате воздействия среднего зонального ветра: данный перенос приводит к равномерному движению фазовых перепадов двухсуточных осцилляций в зональном направлении со скоростью, равной скорости ветра, и, тем самым, нарушает горизонтальные распределения концентраций МГС МФХС и фаз их осцилляций, формируемые в результате воздействия вертикальной компоненты скорости ветра КДВ. Во-вторых, указанное движение фазовых перепадов для любой фиксированной величины среднего зонального ветра может быть подавлено увеличением амплитуды вертикальной скорости ветра в КДВ. При этом достаточные для подавления влияния горизонтального переноса значения этой амплитуды оказываются существенно меньше максимально возможных величин. В-третьих, влияние зональной и меридиональной скорости ветра в КДВ приводит, главным образом, к сглаживанию резких перепадов зонально-меридионального распределения фазы двухсуточных фотохимических осцилляций, формируемых в результате воздействия вертикальной компоненты скорости ветра КДВ, либо к появлению незначительных сдвигов (в меридиональном направлении) скачков фазы этих осцилляций.

В § 2.6 проведено обсуждение возможных проявлений обнаруженных эффектов в реальных условиях мезосферы. В данном параграфе отмечено, что обнаруженная синхронизация пространственных распределений двухсуточных фотохимических осцилляций и КДВ обуславливает возникновение волны фотохимического нагрева воздуха верхней мезосферы c соответствующими пространственно-временными характеристиками, что делает возможным резонансное усиление КДВ данным источником.

В третьей главе исследовано влияние вертикальной адвекции и горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические режимы поведения мезосферной фотохимической системы.

В § 3.1 представлено описание используемых моделей. В первом случае применялась одномерная БДМ МФХС, учитывающая перенос вертикальной турбулентной диффузией и средним вертикальным ветром. Значения коэффициента диффузии варьировались в диапазоне (2-20)·104 см2/с, при которых в отсутствие вертикальной адвекции в районе мезопаузы могут выживать только осцилляции с периодом 2 или 4 суток, скорости вертикального ветра w – в диапазоне [-2, +2] см/с (знак «+» соответствует направлению ветра снизу вверх, знак «–» - направлению сверху вниз). Во втором случае использовалась одномерная (в зональном направлении) БДМ МФХС с периодическими граничными условиями. Высота над уровнем моря, длина широтной окружности L и коэффициент турбулентной диффузии являлись основными управляющими параметрами. Рассматривались режимы поведения МФХС с периодом, равным 2, 3 или 4 суткам, которые выбирались путем задания определенного и одинакового для всех пространственно - распределенных элементов системы значения первого из параметров (высоты). При этом основное внимание уделялось анализу влияния диффузии в окрестности резких фазовых перепады субгармонических осцилляций, поскольку, как было отмечено в § 1.3, именно в этих областях диффузионные процессы должны проявляться наиболее существенно.

В § 3.2 суммированы основные результаты анализа влияния вертикальной адвекции. Показано, что учет данного переноса существенно модифицирует нелинейно-динамические свойства МФХС и, в зависимости от величины и направления скорости среднего вертикального ветра, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций МГС верхней мезосферы, так и к существенному усложнению спектра режимов их поведения при реальных атмосферных условиях. В частности, при значениях в диапазоне [2-7]·104 см2/с и см/с могут возникать сложные режимы поведения (в частности, трехсуточный и хаотический), которые при w=0 оказываются подавленными вертикальной диффузией. Проведен дополнительный анализ полученных эффектов с учетом периодической компоненты вертикальной скорости ветра, вызываемой распространением приливных волн и КДВ. Получено, что при типичных амплитудах осцилляций скорости вертикального ветра в суточном и полусуточном приливах влияние этих волн проявляется лишь количественно и не приводит к заметным качественным изменениям указанных выше эффектов. Основная модификация нелинейно-динамических свойств МФХС происходит за счет квазидвухсуточной компоненты вертикального ветра. Присутствие этой компоненты может полностью компенсировать влияние среднего вертикального ветра при всех величинах его скорости в рассматриваемом диапазоне [-2, +2] см/с.

В § 3.3 изложены основные результаты анализа влияния горизонтальной турбулентной диффузии. Продемонстрировано, что для всех рассмотренных режимов субгармонического отклика МФХС влияние диффузии приводит к возникновению реакционно-диффузионных волн (РДВ) в виде распространяющихся фронтов и импульсов. Эти волны являются волнами фазы и проявляются в равномерном (с постоянной скоростью) смещении вдоль широтного круга резких скачков начальной фазы. В случае осцилляций с периодом 2 и 4 суток РДВ распространяются только в восточном направлении, т.е. против вращения Солнца. Эти волны вызываются наличием зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности и в искусственно заданных условиях фазовые перепады остаются неподвижными. В случае осцилляций с периодом 3 суток зональная неоднородность фазы внешнего воздействия играет второстепенную роль, поэтому РДВ могут распространяться в обоих направлениях.

В § 3.4 получены аналитические выражения для скоростей V обнаруженных волн. Показано, что в случае осцилляций с периодом 2 и 4 суток V~Dxx/L. В случае осцилляций с периодом 3 суток, где T-период осцилляций, знак плюс соответствует восточному направлению распространения, минус – западному. При характерных значениях основных параметров (Dxx и L) скорости РДВ могут достигать ~(100-300) км/сутки.

В § 3.5 пояснены основные отличия РДВ в МФХС от случая «классических» РДВ, возникающих в мультистабильных системах, а так же на примере фазовых фронтов двухсуточных осцилляций проведен анализ возможности регистрации атмосферных РДВ в реальных условиях мезосферы.

Четвертая глава посвящена развитию, на примере БДМ МФХС, методов применения базовых динамических моделей для восстановления по экспериментальным данным вертикальных распределений характеристик атмосферы, не измеряемых непосредственно, и применению этих методов для восстановления вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила.

В § 4.1 изложены результаты применения блока алгебраических уравнений БДМ МФХС для обработки данных кампании CRISTA-MAHRSI. Во время проведения второй спутниковой кампании CRISTA – MAHRSI в период с 8 по 16 августа 1997 года были произведены одновременные измерения вертикальных распределений температуры, концентрации воздуха и двух химических компонент МФХС - OH и O3 - в широком диапазоне широт, высот и локальных значений времен [13-14]. Как уже отмечалось в первой главе (§ 1.5), этой информации оказывается достаточно, чтобы, используя уравнения для быстрых переменных БДМ МФХС, определять вертикальные распределения концентрации H, O, HOx и HO2. В данном параграфе в качестве примера представлена восстановленная дневная эволюция вертикального распределения концентраций этих компонент на 60-630N, 355-3600N.

В § 4.2 описана процедура восстановления вертикального распределения концентрации паров воды H2O(z), основанная на использовании системы дифференциальных уравнений БДМ МФХС. Данная процедура является итерационной. Исходной информацией для ее запуска являются две пары распределений {Oin(z), HOxin(z)} и {Oend(z), HOxend(z)}, которые предварительно восстановлены из данных CRISTA-MAHRSI, измеренных в течение одного светового дня (в моменты локального времени tin < 10 ч и tend > 12 ч) и отвечающих близким значениям горизонтальных координат (долготы и широты). Конечная цель процедуры восстановления H2O(z) заключается в отыскании такого профиля данного параметра МФХС, при котором распределения динамических переменных O(z) и HOx(z), получаемые в результате расчета конечно-временной эволюции БДМ с начальными условиями Oin(z) и HOxin(z) в момент времени tend оказываются максимально близки распределениям Oend(z) и HOxend(z). Предложенный подход протестирован на многочисленных модельных примерах с помощью полной модели МФХС. Данная модель выступала в роли «поставщика» предполагаемых экспериментальных данных. Показано, что восстановленные распределения концентрации паров воды хорошо воспроизводят исходные модельные («правильные») распределения как качественно, так и количественно вплоть до высот 85-87 км.

В § 4.3 изложены результаты применения указанной процедуры к данным CRISTA-MAHRSI. В этом параграфе представлены 4 профиля H2O(z), полученные из данных, измеренных 13.08.1997 и 15.08.1997 на (60-630N, 355-3600W), (63-650N, 225-2300W), (69-710N, 60-650W) и (66-680N, 141-1480W), и проведено их сравнение с данными спутниковых измерений HALOE. Отмечено, во-первых, что наличие двух максимумов в восстановленных распределениях H2O(z) на 73 и 81 км, как качественно, так и количественно хорошо соответствует результатам измерений HALOE. Во-вторых, ниже примерно 65-70 км восстановленные значения концентрации H2O оказываются заметно меньше, чем данные HALOE. Проведен анализ возможных причин данного несоответствия и на основании его результатов сделан вывод, что на этих высотах используемые для восстановления H2O(z) данные спутниковых измерений концентрации OH (MARHSI) занижены относительно их реальных значений.

В § 4.4 проведен критический анализ метода восстановления концентрации H2O по данным CRISTA-MAHRSI, предложенного в работе [15]. Данный метод основан на предположении о фотохимическом равновесии между концентрациями H2O и OH, которое, по мнению авторов [15], является хорошим приближением для описания соотношения между этими компонентами вплоть до высоты 86 км. В последующей работе [16] тот же подход был применен для восстановления пространственного распределения концентрации H2O на широтах 50-710N и анализа корреляций между возникновением полярных мезосферных облаков и степенью насыщенности воздуха водяными парами на высотах 80-86 км. В результате такого анализа было, в частности, получено, что полярные мезосферные облака могут существовать в условиях, когда восстановленные авторами работ [16] концентрации H2O были заметно меньше, чем концентрации насыщенного водяного пара.

В данном параграфе показано, что условие фотохимического равновесия между концентрациями H2O и OH является плохим приближением для восстановления концентрации H2O выше 75-80 км. Это означает, что весьма вероятной причиной полученных в работе [16] неожиданных результатов (возникновение полярных мезосферных облаков в ненасыщенном водой воздухе) может быть применение некорректного (для этих высот) метода восстановления концентрации H2O.

В § 4.5 данные кампании CRISTA–MAHRSI сравниваются с полученной в результате аналитического анализа алгебраических уравнений БДМ МФХС функциональной связью концентраций OH и O3. Показано, что в мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций OH и O3, зависящее от высоты. Установлено, что данные CRISTA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом.

В заключении приводятся положения, выносимые на защиту, дается список публикаций по теме диссертации и перечень цитируемой литературы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в области мезопаузы приводит к формированию регулярного в горизонтальном направлении распределения концентраций МГС в верхней мезосфере с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны. Основным механизмом такого воздействия является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне, приводящий к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра в волне. Данный эффект является пороговым по амплитуде волны, причем в условиях мезопаузы пороговые значения амплитуды оказываются заметно меньше максимальных их зарегистрированных значений.

2. В атмосфере Земли может возбуждаться новый тип волн, представляющих собой фронты или импульсы фазы нелинейных фотохимических осцилляций концентраций малых газовых составляющих, распространяющихся вдоль широтного круга в области мезопаузы. Возникновение волн обусловлено особыми нелинейными свойствами мезосферной фотохимии и имеющим место в этой области атмосферы высоким уровнем волновой турбулентности. В случае осцилляций с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных волн прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»