Автореферат (Собственные колебания атмосферы и Земли по барометрическим и сейсмометрическим данным)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЕРМОЛЕНКО СВЕТЛАНА ИГОРЕВНАСОБСТВЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ АТМОСФЕРЫ И ЗЕМЛИ ПОБАРОМЕТРИЧЕСКИМ И СЕЙСМОМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ25.00.29 Физика атмосферы и гидросферыАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наук  Санкт-Петербург – 2016  Работа выполнена на кафедре физики атмосферы федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования«Санкт-Петербургский государственный университет»Научный руководительОфициальные оппонентыДоктор физико-математических наук,профессор Швед Густав МоисеевичДоктор физико-математических наук,старший научный сотрудникПерцев Николай Николаевич(федеральное государственноебюджетное учреждение наукиИнститут физики атмосферы им. А.М.

Обухова РАН)Кандидат физико-математических наук,научный сотрудникСуворова Екатерина Владимировна(федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшегообразования «Российский государственныйгидрометеорологический университет»)Ведущая организацияФедеральное государственное бюджетноеучреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун"Защита состоится «14» сентября 2016 года в 13:00 на заседании совета Д 212.232.35 позащите докторских и кандидатских диссертаций при Федеральном государственномбюджетном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургскийгосударственный университет» по адресу: Санкт-Петербург, Средний пр-т, В.О., д.

41/43,ауд.304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А.М. Горького СПбГУ и на сайтеhttps://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dis-list/details/14/1003.htmlАвтореферат разослан …………..2016 года.Ученый секретарь диссертационного советаКубышкина Марина Валерьевна  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫСейсмологов и гравиметристов давно занимает проблема исключения из показанийсейсмометров и гравиметров воздействия на эти приборы атмосферных процессов. Именнопоэтому в приборном оборудовании сейсмических и гравиметрических станций всегдаприсутствует чувствительный барометр.

Сейсмологи и гравиметристы воздействиеатмосферы на показания приборов всегда воспринимали как досадный шум. Но они непредпринимали попыток с помощью совместных показаний сейсмических приборов ибарометров исследовать процессы в атмосфере. Впервые и до сих пор единственной научнойорганизацией в мире, где данные сейсмических приборов (обычно вместе с одновременнымипоказаниями барометров) привлекаются к исследованию динамики атмосферы, являетсяфизический факультет СПбГУ.

Конкретно в СПбГУ с помощью показаний барометров исейсмических приборов с 1980-х годов ведется планомерное изучение глобальных волн ватмосфере. Наше исследование продолжает эту работу.Предмет и актуальность исследованияОсновным объектом исследования в диссертации являются периодические динамическиепроцессы в земной атмосфере в широком диапазоне периодов от ~ 50 суток до ~ 1 час.Причем основной упор сделан на исследование малоизученных короткопериодных движенийс периодами ~ 1-5 час. В атмосфере наблюдаются периодические процессы разнойфизической природы. Мы же сосредоточились в основном на исследовании собственныхколебаний атмосферы (СКА), называемых ещё нормальными атмосферными модами.

Если внижней атмосфере СКА, как правило, малозаметны на фоне синоптической, циклонноантициклонной активности, то при распространении СКА вверх их амплитуды возрастают напорядки, и они становятся важной составляющей движений средней и верхней атмосферы. Вэтих слоях атмосферы вариации всех параметров атмосферы и её нейтрального и ионногосостава в значительной степени определяются СКА, что делает исследования СКАактуальной задачей.Предметом исследования также являются сфероидальные собственные колебания Земли(СКЗ) 0S2 с периодом около 54 мин, наблюдаемые в сейсмически спокойные периоды.Поэтому актуальной задачей является поиск механизма их возбуждения.Степень разработанности темы исследованияСуществуют СКА первого и второго рода. Волны второго рода – это вращательные илиинерционные волны (волны Россби).

Они достаточно хорошо изучены. Существует большоечисло наблюдений этих волн с периодами от ~ 2 до ~ 30 суток. Основной массивнаблюдаемых СКА с периодами короче ~ 2 суток относится к волнам первого рода гравитационным волнам. В настоящее время существуют оценки частот этих волнприближенными аналитическими методами (см. ниже). Однако наблюдать гравитационныеСКА с периодами меньше ~ 7 часов пока никому не удавалось в силу их крайней слабости.Что же касается СКЗ 0S2, то ещё в 1980-х годах сейсмолог Е.М. Линьков заметил, что данноеколебание существует не только после землетрясений, но также обнаруживается и всейсмически спокойные периоды.

Однако поиск источников фоновых СКЗ 0S2 непроводился.Цели и новизна исследованияОсновная задача исследования – выявить указанные выше периодические движения ватмосфере в измерениях вариаций приземного давления и показаниях сейсмометров игравиметров. А выявив их, наша задача была исследовать особенности этих движений в той3  степени, какую допускает полученный экспериментальный материал. Однако атмосферныеколебания и волны исследуют, наблюдая вариации ветра, давления, плотности итемпературы атмосферы, а также измеряя концентрации газовых компонент атмосферы иэлектронов.

Новизна нашего исследования заключается прежде всего в том, что впервыеиспользованы показания сейсмометрических приборов. Во-вторых, барометрическиеизмерения использованы для исследования СКА с периодами короче 5 часов.Что касается СКЗ 0S2, впервые была поставлена задача исследовать его связь с процессами ватмосфере.Достоверность результатовДостоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается тем, что ониполучены на большом статистическом материале, с использованием физически иматематически обоснованных стандартных и оригинальных методов.

Для исследованияпривлечены данные стандартных приборов. Кроме этого результаты исследованияподтверждаются теоретическими оценками.Положения, выносимые на защиту- экспериментальное подтверждение периодичности в группировании частотгравитационных собственных колебаний атмосферы в диапазоне периодов ~ 1-5 часов;- обнаружение конкретных проявлений собственных колебаний атмосферы в диапазонепериодов ~ 2-5 час;- обнаруженние чувствительности показаний горизонтальных каналов сейсмометров кглобальным осцилляциям атмосферы в диапазоне периодов порядка 2-50 суток;- существование статистически значимой корреляции между индексом циркуляцииатмосферы АО и возбуждением сфероидального собственного колебания Земли 0S2.Практическая и научная значимость1.Исследование СКА и условий их возбуждения имеет фундаментальное значение какиндикатор нелинейных макромасштабных динамических процессов в атмосфере ипрактическое значение для определения источников вариаций параметров атмосферы и еёсостава.2.В перспективе исследования СКА по рядам измерений параметров атмосфер Марса иВенеры могут явиться индикатором теплового и динамического состояния указанныхатмосфер.3.Исследование полезно для сейсмологов и гравиметристов как объясняющее природунекоторых сигналов, регистрируемых сейсмическими приборами, и механизма возбужденияСКЗ.Личный вклад автораАвтор участвовал в постановке задач, поиска методов их решения и анализе результатов.Поиск качественных исходных данных и их математическая обработка приведены авторомединолично.Апробация работыРезультаты работы докладывались на следующих российских и международных научныхконференциях: на международных симпозиумах «Атмосферная радиация и динамика»МСАРД-2011, МСАРД-2013 и МСАРД-2015 (Санкт-Петербург, 2011, 2013 и 2015),4  молодежных конференциях «Физика и прогресс» в СПбГУ (2011 и 2015), XXIII научнойсессии Совета по нелинейной динамике (Москва, 2014),  всероссийской научнойконференции «Природа, теория и моделирование системы «атмосфера – гидросфера – земнаяповерхность» (Санкт-Петербург, 2016).

Кроме этого результаты исследований неоднократнодокладывались на семинарах кафедры физики атмосферы СПбГУ, на двух семинарах вИнституте метеорологии Лейпцигского университета, а также на семинаре в ИнститутеМакса Планка по исследованиям солнечной системы (Гетинген).Исследование было поддержано грантом правительства Санкт-Петербурга (2011), грантомDAAD Леонарда Эйлера (2014) и дважды грантами Немецко-РоссийскогоМеждисциплинарного Научного Центра G-RISC (2011 и 2015).ПубликацииРезультаты работы представлены в 3 публикациях в рецензируемых журналах, включенныхв список ВАК.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений, спискалитературы и приложения. Работа содержит 90 страниц, 23 рисунка и 8 таблиц.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы иположения, выносимые на защиту, а также отмечена новизна работы, практическая инаучная значимость, достоверность результатов проведенного исследования, описан личныйвклад автора, кратко изложено содержание работы.Глава 1 “Состояние исследований волн в атмосфере и в Земле”.В разделе 1.1 “Обзор осцилляций атмосферы” рассмотрены различные атмосферныеколебания и волны.

В основном речь идет о глобальных волнах атмосферы, так как именноим и посвещена работа. Однако упоминается и о внутренних гравитационных волнах(периоды от 0,5 часов до нескольких часов), от которых нам следует отстраниться. Особоевнимание уделено СКА. СКА разделяются на волны первого и второго рода. Волны первогорода – это гравитационные (или гравитационно-инерционные) волны.

В разделе приведенатерия этих волн, а также сведения, полученные в предыдущих работах. Из них для нашегоисследования особенно важны результаты моделирования гравитационных СКА Беляева иШведа (2014). В этой работе представлены частоты СКА до периодов ~ 1 ч (рис.1).Моделирование показало, что СКА сгруппированы на оси частот по числу l = |s| + n, где s –зональное число колебания (s < 0 для СКА, распространяющихся на запад, а s > 0 – дляраспространяющихся на восток), n – его меридиональный индекс. Теоретическая оценкачастотного расстояния (периода) между группами СКА, отличающимися по l на 1, далазначение около 7 мкГц. Этот факт был использован нами в главе 3.СКА второго рода – это вращательные или инерционные волны.