Атмосферные приливы - это периодические колебания атмосферы глобального масштаба . Во многом они аналогичны океанским приливам . Атмосферные приливы могут быть вызваны:
- Очередной день - ночь цикл нагрева Солнца атмосферы ( инсоляция )
- Гравитационное поле притяжение Луны
- Нелинейные взаимодействия между приливами и планетарными волнами .
- Масштабное выделение скрытого тепла из-за глубокой конвекции в тропиках .
Общие характеристики
Атмосферные приливы с наибольшей амплитудой в основном генерируются в тропосфере и стратосфере, когда атмосфера периодически нагревается, поскольку водяной пар и озон поглощают солнечную радиацию в течение дня. Эти приливы распространяются от источников и поднимаются в мезосферу и термосферу . Атмосферные приливы можно измерить как регулярные колебания ветра , температуры , плотности и давления . Хотя атмосферные приливы имеют много общего с океанскими приливами, у них есть две ключевые отличительные особенности:
- Атмосферные приливы в первую очередь вызываются нагревом атмосферы Солнцем, тогда как океанские приливы вызываются гравитационным притяжением Луны и, в меньшей степени, гравитацией Солнца . Это означает, что большинство атмосферных приливов имеют периоды колебаний, связанные с 24-часовой продолжительностью солнечных суток, тогда как океанические приливы имеют периоды колебаний, связанные как с солнечными, так и с более длинными лунными сутками (время между последовательными лунными прохождениями). около 24 часов 51 минута .
- Атмосферные приливы распространяются в атмосфере, плотность которой значительно зависит от высоты . Следствием этого является то, что их амплитуды, естественно, экспоненциально возрастают по мере того, как прилив поднимается в все более разреженные области атмосферы (объяснение этого явления см. Ниже). Напротив, плотность океанов лишь незначительно меняется с глубиной, поэтому приливы не обязательно изменяются по амплитуде с глубиной.
На уровне земли атмосферные приливы можно обнаружить как регулярные, но небольшие колебания приземного давления с периодами 24 и 12 часов. Однако на больших высотах амплитуды приливов могут стать очень большими. В мезосфере (высоты ~ 50–100 км) атмосферные приливы могут достигать амплитуды более 50 м / с и часто являются наиболее значительной частью движения атмосферы.
Причина такого резкого роста амплитуды от крошечных колебаний у земли до колебаний, которые доминируют в движении мезосферы, заключается в том, что плотность атмосферы уменьшается с увеличением высоты. По мере того, как приливы или волны распространяются вверх, они перемещаются в области все меньшей и меньшей плотности. Если прилив или волна не рассеиваются, то плотность кинетической энергии должна сохраняться. Поскольку плотность уменьшается, амплитуда прилива или волны соответственно увеличивается, так что энергия сохраняется .
После этого роста с высотой атмосферные приливы имеют гораздо большие амплитуды в средней и верхней атмосфере, чем на уровне земли.
Солнечные атмосферные приливы
Атмосферные приливы наибольшей амплитуды генерируются периодическим нагревом атмосферы Солнцем - атмосфера нагревается днем и не нагревается ночью. Этот регулярный суточный (суточный) цикл нагрева порождает тепловые приливы , периоды которых связаны с солнечным днем. Первоначально можно было ожидать, что это суточное нагревание вызовет приливы с периодом 24 часа, что соответствует периодичности нагрева. Однако наблюдения показывают, что генерируются приливы большой амплитуды с периодами 24 и 12 часов. Также наблюдались приливы с периодами 8 и 6 часов, хотя эти последние приливы обычно имеют меньшую амплитуду. Этот набор периодов возникает из-за того, что солнечный нагрев атмосферы имеет приблизительно прямоугольный волновой профиль и, следовательно, богат гармониками. Когда этот образец разлагается на отдельные частотные компоненты с использованием преобразования Фурье , а также среднего и суточного (24-часового) изменения, возникают значительные колебания с периодами 12, 8 и 6 часов. Приливы, вызванные гравитационным воздействием солнца, намного меньше, чем приливы, вызванные солнечным нагревом. С этого момента солнечные приливы будут относиться только к тепловым солнечным приливам.
Солнечная энергия поглощается всей атмосферой, одними из наиболее важных в этом контексте являются водяной пар на расстоянии (≈0–15 км) в тропосфере , озон на расстоянии (≈30–60 км) в стратосфере, а также молекулярный кислород и молекулярный азот на ( ≈120-170 км) в термосфере . Вариации глобального распределения и плотности этих видов приводят к изменению амплитуды солнечных приливов. На приливы также влияет среда, в которой они путешествуют.
Солнечные приливы можно разделить на две составляющие: мигрирующие и немигрирующие .
Миграция солнечных приливов
Мигрирующие приливы являются солнечно-синхронными - с точки зрения неподвижного наблюдателя на земле они распространяются на запад с видимым движением Солнца. Поскольку мигрирующие приливы остаются фиксированными относительно Солнца, формируется картина возбуждения, которая также фиксируется относительно Солнца. Изменения прилива, наблюдаемые со стационарной точки зрения на поверхности Земли, вызваны вращением Земли относительно этой фиксированной картины. Сезонные колебания приливов также происходят, когда Земля наклоняется относительно Солнца и, следовательно, относительно модели возбуждения. [1]
Мигрирующие солнечные приливы широко изучались как с помощью наблюдений, так и с помощью механистических моделей. [2]
Немигрирующие солнечные приливы
Немигрирующие приливы можно рассматривать как волны глобального масштаба с теми же периодами, что и мигрирующие приливы. Однако немигрирующие приливы не следуют за видимым движением солнца. Либо они не распространяются горизонтально, они распространяются на восток, либо распространяются на запад со скоростью, отличной от скорости Солнца. Эти немигрирующие приливы могут быть вызваны различиями в топографии с долготой, контрастом суши и моря и взаимодействием поверхности. Важным источником является скрытое тепловыделение из-за глубокой конвекции в тропиках .
Основной источник 24-часового прилива находится в нижних слоях атмосферы, где важны поверхностные эффекты. Это отражается в относительно большом немигрирующем компоненте, который проявляется в продольных различиях приливных амплитуд. Наибольшие амплитуды наблюдались над Южной Америкой , Африкой и Австралией . [3]
Лунные атмосферные приливы
Атмосферные приливы также возникают из-за гравитационного воздействия Луны. [4] Лунные (гравитационные) приливы намного слабее солнечных тепловых приливов и вызваны движением океанов Земли (вызванным Луной) и, в меньшей степени, влиянием гравитационного притяжения Луны на атмосферу.
Классическая теория приливов и отливов
Основные характеристики атмосферных приливов описываются классической теорией приливов . [5] Пренебрегая механическим воздействием и диссипацией , классическая теория приливов предполагает, что атмосферные волновые движения можно рассматривать как линейные возмущения первоначально неподвижного зонального среднего состояния, которое является горизонтально стратифицированным и изотермическим . Два основных результата классической теории:
- атмосферные приливы - это собственные моды атмосферы, описываемые функциями Хафа.
- амплитуды экспоненциально растут с высотой.
Основные уравнения
Эти примитивные уравнения приводят к линеаризованным уравнениям для возмущений (загрунтованный переменных) в сферической изотермической атмосфере: [6]
- уравнения горизонтального импульса
- уравнение энергии
- уравнение неразрывности
с определениями
- восточный зональный ветер
- северный меридиональный ветер
- восходящий вертикальный ветер
- геопотенциал,
- квадрат частоты Бранта-Вайсала (плавучести)
- угловая скорость Земли
- плотность
- высота
- географическая долгота
- географическая широта
- скорость нагрева на единицу массы
- радиус Земли
- ускорение свободного падения
- постоянная высота шкалы
- время
Разделение переменных
Система уравнений может быть решена для атмосферных приливов , т. Е. Распространяющихся продольно волн с зональным волновым числом и частота . Зональное волновое число является положительным целым числом, так что положительные значения для соответствуют приливам, распространяющимся на восток, а отрицательные значения - приливам, распространяющимся на запад. Разделительный подход формы
а выполнение некоторых математических расчетов [7] дает выражения для широтной и вертикальной структуры приливов и отливов.
Приливное уравнение Лапласа
Широтная структура приливов описывается уравнением горизонтальной структуры, которое также называется приливным уравнением Лапласа :
с оператором Лапласа
с использованием , и собственное значение
Следовательно, атмосферные приливы являются собственными колебаниями ( собственными модами ) атмосферы Земли с собственными функциями , называемые функциями Хафа , а собственные значения . Последние определяют эквивалентную глубину в котором широтная структура приливов сочетается с их вертикальной структурой.
Общее решение уравнения Лапласа
Лонге-Хиггинс [8] полностью решил уравнения Лапласа и обнаружил приливные моды с отрицательными собственными значениями ε n s (рис. 2). Существует два вида волн: волны класса 1 (иногда называемые гравитационными волнами), обозначенные положительным n, и волны класса 2 (иногда называемые вращательными волнами), обозначенные отрицательным n. Волны класса 2 обязаны своим существованием силе Кориолиса и могут существовать только в течение периодов более 12 часов (или | ν | ≤ 2). Приливные волны могут быть либо внутренними (бегущие волны) с положительными собственными значениями (или эквивалентной глубиной), которые имеют конечные вертикальные длины волн и могут переносить волновую энергию вверх, либо внешними (затухающие волны) с отрицательными собственными значениями и бесконечно большими вертикальными длинами волн, что означает, что их фазы остаются постоянными. с высотой. Эти внешние волновые моды не могут переносить волновую энергию, и их амплитуды экспоненциально уменьшаются с высотой за пределами их источников. Четные числа n соответствуют волнам, симметричным относительно экватора, а нечетные числа - антисимметричным волнам. Переход от внутренних волн к внешним возникает при ε ≃ ε c или вертикальном волновом числе k z = 0 и λ z ⇒ ∞ соответственно.
Основная солнечная суточная приливная мода, которая оптимально соответствует конфигурации солнечного тепловыделения и поэтому наиболее сильно возбуждается, - это мода Хафа (1, -2) (Рисунок 3). Он зависит от местного времени и перемещается на запад вместе с Солнцем. Это внешняя мода класса 2 с собственным значением ε −2 1 = −12,56. Его максимальная амплитуда давления на землю составляет около 60 гПа. [5] Самая большая солнечная полусуточная волна - мода (2, 2) с максимальной амплитудой давления у земли 120 гПа. Это внутренняя волна класса 1. Его амплитуда экспоненциально увеличивается с высотой. Хотя его солнечное возбуждение вдвое меньше, чем у моды (1, −2), его амплитуда на земле больше в два раза. Это свидетельствует об эффекте подавления внешних волн, в данном случае в четыре раза. [9]
Уравнение вертикальной структуры
Для ограниченных решений и на высотах выше области воздействия уравнение вертикальной структуры в его канонической форме имеет вид:
с раствором
используя определения
Распространение решений
Следовательно, каждая пара волновое число / частота (приливная составляющая ) является суперпозицией связанных функций Хафа (часто называемых в литературе приливными модами ) индекса n . Номенклатура такова, что отрицательное значение n относится к затухающим модам (без вертикального распространения), а положительное значение - к распространяющимся модам. Эквивалентная глубина связана с вертикальной длиной волны , поскольку вертикальное волновое число:
Для распространения решений , вертикальная групповая скорость
становится положительным (распространение энергии вверх), только если на запад или если на восток распространяющиеся волны. На заданной высоте, волна максимизируется при
На фиксированную долготу , это, в свою очередь, всегда приводит к прогрессированию фазы вниз с течением времени, независимо от направления распространения. Это важный результат для интерпретации наблюдений: прогрессирование фазы вниз во времени означает распространение энергии вверх и, следовательно, приливное воздействие ниже в атмосфере. Амплитуда увеличивается с высотой, при уменьшении плотности.
Рассеивание
Затухание приливов происходит в основном в области нижней термосферы и может быть вызвано турбулентностью от разрушающихся гравитационных волн . Подобно феномену, когда океанские волны разбиваются о пляж , энергия рассеивается в фоновой атмосфере. Молекулярная диффузия также становится все более важной на более высоких уровнях в нижней термосфере, поскольку длина свободного пробега увеличивается в разреженной атмосфере. [10]
На термосферных высотах ослабление атмосферных волн, в основном из-за столкновений между нейтральным газом и ионосферной плазмой, становится значительным, так что на высоте более 150 км все волновые моды постепенно становятся внешними волнами, а функции Хафа вырождаются в сферические функции ; например, мода (1, -2) превращается в сферическую функцию P 1 1 (θ), мода (2, 2) становится P 2 2 (θ), где θ совпадает с широтой и т. д. [9] В термосфере режим (1, -2) является преобладающим режимом, достигая суточных температурных амплитуд в экзосфере не менее 140 К и горизонтальных ветров порядка 100 м / с и более, усиливающихся с увеличением геомагнитной активности. [11] Он отвечает за электрические токи Sq в ионосферной динамо-области на высоте от 100 до 200 км. [12]
Влияние атмосферного прилива
Приливы образуют важный механизм для переноса энергии из нижней атмосферы в верхнюю атмосферу [10] , доминируя при этом в динамике мезосферы и нижней термосферы. Следовательно, понимание атмосферных приливов важно для понимания атмосферы в целом. Моделирование и наблюдения за атмосферными приливами необходимы для отслеживания и прогнозирования изменений в атмосфере Земли (см. [9] ).
Смотрите также
- Атмосферная волна
- Прилив
- Земной прилив
- Мезосфера
- Термосфера
- Область ионосферного динамо
Примечания и ссылки
- ^ Модель волны глобального масштаба UCAR
- ^ Ссылки GSWM
- ^ Хаган, ME, Дж. М. Форбс и А. Ричмонд, 2003: Атмосферные приливы, Энциклопедия атмосферных наук
- ^ "Приливы, обнаруженные в атмосфере" , Sydney Morning Herald , 9 сентября 1947 г., архивировано с оригинала 29 января 2020 г..
- ^ a b Чепмен, С., и Р.С. Линдзен, Атмосферные приливы, Д. Рейдел, Норвелл, Массачусетс, 1970.
- ^ Холтон, Дж. Р., Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы, Метеор. Monog., 15 (37), Американское метеорологическое общество, Массачусетс, 1975.
- ^ J. Oberheide, на крупномасштабной связи волн через стратопаузы Archived 22 июля 2011 года, в Wayback Machine , Приложение А2, стр 113-117, университет Вупперталь, 2007.
- ^ Лонге-Хиггинс, М.С., Собственные функции уравнений Лапласа над сферой, Фил. Пер. Рой. Soc, Лондон, A262 , 511, 1968 г.
- ^ a b c Волланд, Х., "Атмосферные приливные и планетные волны", Kluwer Publ., Dordrecht, 1988
- ^ a b Форбс, Дж. М. и др., J. Geophys. Res., Space Physics, 113, 17, 2008.
- ^ Коль, Х. и Дж. У. Кинг, J. Atm. Terr. Физ., 29, 1045, 1967
- ^ Като, SJ, Geophys. Res., 71 , 3211,1966