Диссертация (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 гидросферыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель - доктор физико-математических наук,профессор Швед Г. М.Санкт-Петербург – 20162ОглавлениеВведение............................................................................................................................................3Глава 1. Состояние исследований волн в атмосфере и в Земле.............................................81.1 Обзор осцилляций атмосферы...................................................................................................81.2 Наблюдения глобальных колебаний сейсмическими приборами..............................….....20Глава 2. Выявление длиннопериодных глобальных волн сейсмометром STS-2.............25Заключение по главе 2....................................................................................................................36Глава 3.

Короткопериодные глобальные колебания в атмосфере……..............................373.1 Выявление признаков гравитационных собственных колебаний атмосферы.....…...........373.2 Исследование влияния крупномасштабной динамики атмосферы на короткопериодныеглобальные волны……………………………....................................................…………….......453.3 Исследование связи собственных колебаний Земли с крупномасштабной динамикойатмосферы......... ……………………………....................................................……………..........50Заключение по главе 3....................................................................................................................54Глава 4.

Выявление гравитационных собственных колебаний атмосферы побарометрическим данным Глобального Геодинамического Проекта….…......................55Заключение по главе 4....................................................................................................................71Заключение……………………..…………………………………….……........................……..72Список сокращений......................................................................................................................74Список литературы…………………………..………………………………......................…..75Приложение....................................................................................................................................823ВведениеВсюду в атмосфере наблюдаются периодические изменения всех гидродинамическихвеличинветра, температуры, давления и плотности, а также концентрации ее газовыхкомпонент.

В ионосфере периодические изменения испытывают концентрации электронов иионных компонент. Амплитуда колебаний имеет тенденцию расти с высотой, так что в верхнихслоях атмосферы волны становятся доминирующей формой движения. Диапазон частотнаблюдаемых колебаний крайне широк от частот обычного звука до колебаний с периодами вгоды.Данная работа посвящена исследованию волн в диапазоне периодов от ~ 50 суток до ~ 1часа по данным сейсмометров и барометров. Сейсмологов и гравиметристов давно занимаетпроблема исключения из показаний сейсмометров и гравиметров воздействия на эти приборыатмосферных процессов.

Именно поэтому в приборном оборудовании сейсмических игравиметрических станций всегда присутствует чувствительный барометр. Сейсмологи игравиметристы воздействие атмосферы на показания приборов всегда воспринимали какдосадный шум. Но они не предпринимали попыток с помощью совместных показанийсейсмических приборов и барометров исследовать процессы в атмосфере. Впервые и до сих порединственной научной организацией в мире, где данные сейсмических приборов (обычновместе с одновременными показаниями барометров) привлекаются к исследованию динамикиатмосферы, является физический факультет СПбГУ.

Конкретно в СПбГУ с помощью показанийбарометров и сейсмических приборов с 1980-х годов ведется планомерное изучение глобальныхволн в атмосфере. 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. Причем4основной упор сделан на исследование малоизученных короткопериодных движений спериодами ~ 1-5 час. В атмосфере наблюдаются периодические процессы разной физическойприроды.

Мы же сосредоточились в основном на исследовании собственных колебанийатмосферы (СКА), называемых ещѐ нормальными атмосферными модами. Если в нижнейатмосфереСКА,какправило,малозаметнынафонесиноптической,циклоно-антициклонической активности, то при распространении СКА вверх их амплитуды возрастаютна порядки, и они становятся важной составляющей движений средней и верхней атмосферы.

Вэтих слоях атмосферы вариации всех параметров атмосферы и еѐ нейтрального и ионногосостава в значительной степени определяются СКА, что делает исследования СКА актуальнойзадачей.Предметом исследования также являются сфероидальные собственные колебания Земли(СКЗ) 0S2 с периодом около 54 мин, наблюдаемые в сейсмически спокойные периоды. Поэтомуактуальной 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 массив наблюдаемыхСКА с периодами короче ~ 2 суток относится к волнам первого рода - гравитационным волнам.В настоящее время существуют оценки частот этих волн приближенными аналитическимиметодами (см. ниже).

Однако наблюдать гравитационные СКА с периодами меньше ~ 7 часовпока никому не удавалось в силу их крайней слабости.Что же касается СКЗ 0S2, то ещѐ в 1980-х годах сейсмолог Е.М. Линьков заметил, чтоданное колебание существует не только после землетрясений, но также обнаруживается и всейсмически спокойные периоды. Однако поиск источников фоновых СКЗ 0S2 не проводился.Цели и новизна исследованияОсновная задача исследования – выявить указанные выше периодические движения ватмосфере в измерениях вариаций приземного давления и показаниях сейсмометров.

А выявивих, наша задача была исследовать особенности этих движений в той степени, какую допускаетполученный экспериментальный материал. Новизна нашего исследования заключается преждевсего в том, что впервые использованы показания сейсмометров. Во-вторых, впервыебарометрические измерения использованы для исследования СКА с периодами короче 5 часов.5Что касается СКЗ 0S2, впервые была поставлена задача исследовать его связь с процессамив атмосфере.Методология и методы исследованияВработеиспользуютсястандартныепрограммыпостроенияспектров:Фурье-преобразование по методу Ломба-Скаргла и вейвлет-преобразование Морле 6.

Для поискаследов СКА длинные ряды разделяются на короткие 5-суточные ряды с шагом в 1 сутки.Используется оригинальныйновый метод исследования, основанный на построениигистограмм количества спектральных пиков. Впервые в исследованиях атмосферных волниспользован метод перемножения спектров.

Для поиска следа гравитационных СКА разработанспециальный подход к поиску периодичностей в спектрах. Для обнаружения конкретныхпроявленийгравитационныхСКАиспользованыданныебарометровсостанций,расположенных в разных частях земного шара и требование длительности колебания не менеенескольких суток подряд.При исследовании связи СКЗ 0S2 с атмосферными движениями искалась корреляциямежду атмосферным индексом Арктической осцилляции (АО) и следом СКЗ в показанияхсейсмометра.Достоверность результатовДостоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается тем, что ониполученынабольшомстатистическомматериале,сиспользованиемфизическииматематически обоснованных стандартных и оригинальных методов.

Для исследованияпривлеченыданныестандартныхприборов.Кромеэтогорезультатыисследованияподтверждаются теоретическими оценками.Положения, выносимые на защиту- экспериментальноеподтверждениепериодичностивгруппированиичастотгравитационных 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;6- 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 значениекак индикатор нелинейных макромасштабных динамических процессов в атмосфере ипрактическое значение для определения источников вариаций параметров атмосферы и еѐсостава.2.В перспективе исследования СКА по рядам измерений параметров атмосферМарса и Венеры могут явиться индикатором теплового и динамического состояния указанныхатмосфер.3.Исследование полезно для сейсмологов и гравиметристов как объясняющееприроду некоторых сигналов, регистрируемых сейсмическими приборами, и механизмавозбуждения СКЗ.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» МСАРД2011, МСАРД-2013 и МСАРД-2015 (Санкт-Петербург, 2011, 2013 и 2015), молодежныхконференциях «Физика и прогресс» в СПбГУ (2011 и 2015), XXIII научной сессии Совета понелинейной динамике (Москва, 2014), всероссийской научной конференции «Природа, теория имоделирование системы «атмосфера – гидросфера – земная поверхность»» (Санкт-Петербург,2016).