Диссертация (1150760), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Солнечные и лунные гармоники обозначаются Sm и Lmсоответственно.Начнем с особенностей гравитационных приливов, обусловленных вращением Земливокруг собственной оси. Поскольку возмущение гравитационного потенциала Землипропорционально величине (a/R)m [ Жарков, 1983], где R – расстояние до притягивающегонебесного тела (Луны и Солнца), а R ˃˃ a, то указанное возмущение быстро убывает с номеромm. Высокоточными гравиметрическими измерениями еще удается зарегистрировать гармоникуL5 (ν = 55.9 мкГц, τ = 4.97 ч) и даже следы гармоники L6 (ν = 67.1 мкГц, τ = 4.14 ч) [Hartmannand Wenzel, 1995].
Поскольку расстояние до Солнца много больше, чем до Луны, последнейощутимой для гравиметров гармоникой Sm является гармоника S3 (ν = 34.7 мкГц, τ = 8 ч).Возмущение силы тяжести, создаваемое Солнцем для гармоники S2 (τ = 12 ч), в 2.75 раза слабеесоздаваемого Луной для гармоники L2 (τ = 12 ч 25 мин) [Hartmann and Wenzel, 1995]. На фонединамического возмущения, производимого в атмосфере гармоникой S2 теплового прилива (см.ниже), действие гармоники S2 гравитационного прилива на атмосферу пренебрежимо мало. Темболее, можно пренебречь воздействием на атмосферу гармоники S3 гравитационного прилива.Основная гармоника гравитационного лунного прилива L2 на порядок слабее основныхгармоник солнечного теплового прилива S1 и S2 (см.
ниже): обусловленная ею максимальнаяамплитуда колебаний приземного давления, δps, на экваторе имеет порядок 0.1 гПа. Еслиучесть, что с увеличением m на 1 возмущение силы тяжести, создаваемое Луной, уменьшаетсягрубо в 40 раз [Hartmann and Wenzel, 1995], то динамическим возмущением атмосферы за счетдействия гармоник Lm c m ≥ 4, очень вероятно, можно пренебречь. Приливные гармоники,обусловленные вращением Луны вокруг Земли с периодом 27.32 суток, регистрируются, по-17видимому, вплоть до 4-й гармоники с периодом 6.83 суток (см., например, [Милюков и др.,2011]).Как уже упоминалось выше, классическим механизмом солнечных приливов являетсяразогревание атмосферы за счет поглощения солнечного излучения атмосферой и земнойповерхностью. Конкретно, это поглощение ультрафиолетового излучения озоном в среднейатмосфере и поглощение ближнего инфракрасного излучения в полосах водяного пара иуглекислого газа в тропосфере.
Поглощение солнечного излучения земной поверхностьюприводит к еѐ нагреванию и соответственно испарению воды. Выделение теплотыпарообразования при конденсации водяного пара также нагревает тропосферу. Приток тепла Jкак функция местного времени, будучи разложен в ряд Фурье, разбивается на гармоники самплитудами колебаний притока тепла, Jm, которые соответственно возбуждают гармоники Sm.Альтернативным механизмом генерации являются нелинейные процессы: рождение гармоникпри разрушении гармоник с меньшими числами m (в основном при потере устойчивостиинтенсивных суточного и полусуточного приливов – m = 1 и 2) и взаимодействие гармоник сразными числами m (см., например, [Akmaev, 2001]). Указанные нелинейные процессыпроисходят в средней и верхней атмосфере, где амплитуды колебаний приливных скоростиветраитемпературыгармоникSmдостигаютмаксимальныхзначений.Изменениядинамического и теплового состояния атмосферы приводят к изменениям интенсивностигармоник Sm, причем с ростом числа m эта изменчивость усиливается.Наблюдения солнечных тепловых приливов в земной атмосфере подтверждаютожидаемую тенденцию уменьшения интенсивности приливов с ростоминтенсивнымиявляютсясуточныйиполусуточныйсолнечныеприливы.m.
СамымиНапример,максимальные ps, наблюдаемые у экватора, для m = 1 и 2 имеют порядки 0.5 и 1 гПасоответственно. Но уже у третьсуточного прилива (m = 3) ps ~ 0.1 гПа. Спектральный анализрядов приземного давления ps длительностью не менее года выявил гармоники Sm вплоть до m ~10 [Warburton, R. J. and Goodkind, J. M., 1977; Smilie et al., 1993; Crossly et al., 1995; Livneh et al.,2007].
Группы гармоник Sm вплоть до m ~ 30 обнаруживаются в динамических спектрах ps вработе [Shved et al., 2011].Осцилляция Маддена-Джулиана. Наблюдаются крайне нестабильные внутрисезонныеглобальные колебания всех параметров состояния атмосферы (ветра, давления, температуры,интенсивности облаков и т.д.), называемые осцилляцией Маддена-Джулиана (ОМД): диапазонпериодов колебаний от ~ 30 до ~ 100 суток [Zhang, 2003].
Физическая природа этих колебанийпринципиально отличается от того же для глобальных волн, рассмотренных выше. Своимвозникновением колебания обязаны взаимодействию между физическими процессами в18атмосфере и океанах в тропиках. Возникнув в тропиках, колебания воздействуют на всюатмосферу.Процесс, ответственный за ОМД, представляет собой неустойчивую экваториальнуюволну с направленной на восток групповой скоростью. Особенность этой волны заключается втом, что еѐ основным элементом является скопление тропических конвективных облаков,исчезающих благодаря выпадению дождя из них и возникающих вновь.
Скопление облаковпостепенно смещается в восточном направлении, потому что конвергенция влажного воздуха и,соответственно, образование кучевых облаков с восточной стороны скопления происходитинтенсивнее, чем с западной. Процесс ответственный за ОМД, начинается с зарожденияскопления облаков в приэкваториальной западной части Индийского океана. Со скоростью~ 5 м/с скопление, усиливаясь, движется вдоль экватора на восток.
Достигнув максимальнойсилы над западной частью Тихого океана, при дальнейшем продвижении на восток скоплениедеградирует в некоторой окрестности меридиана смены дат. Сильные вариации периода ОМДобусловлены тем, что для начала процесса требуется динамическое возмущение, способное«запустить» процесс. Но появление такого возмущения достаточно случайно. Указанноевозмущение может, например, происходить от азиатского муссона или внетропическихдинамических процессов.Колебания твердой Земли. Волны в литосфере могут проникать в атмосферу за счетпоршневого эффекта, создаваемого вертикальными смещениями земной поверхности, иблагодаря вариациям силы тяжести, создаваемых как теми же смещениями земнойповерхности, так и возмущениями плотности литосферы.Существует набор сфероидальных и крутильных собственных колебаний Земли (СКЗ)[Жарков, 1983].
Проникновение их в атмосферу может привести к глобальным колебанияматмосферы на частотах СКЗ. Самым низкочастотным СКЗ является сфероидальное колебание0S2,представляющее для нас интерес, т. к. его τ ~ 1 ч. Индекс “0” означает, что от центра Землидо поверхности колебание не имеет узлов – амплитуда колебания нигде не обращается в ноль.Индекс “2” означает, что вдоль меридиана имеется 2 узла. Т. е.
колебание являетсясимметричным относительно экватора, причем в северном и южном полушариях имеетсяширота │φ│, где амплитуда колебаний поверхности в вертикальном направлении равна нулю.Колебание является мультиплетом – расщепляется на 5 компонент с частотами 300.0, 304.6,309.2, 313.8 и 318.4 мкГц [Rosat et al., 2005]. Колебание обнаруживается уже при низком уровнесейсмической активности [Линьков и др., 1989] и усиливается с еѐ ростом. Проникновениеколебания в атмосферу наблюдалось [Линьков и др., 1989; Бобова и др., 1990; Shved et al.,192000]. Вопросом является источник генерации СКЗ 0S2 в сейсмически спокойные периоды. Наэтот вопрос мы пытаемся дать ответ в главе 3.Согласнотеории,можноожидатьпоявленияосцилляций,принадлежащихтрансляционному колебанию внутреннего ядра Земли относительно еѐ центра (триплетСлихтера) в диапазоне периодов ~ 4 – 6 ч [Crossly et al., 1992].
Однако, даже используя данныечувствительных сверхпроводящих гравиметров, триплет Слихтера пока выявить не удалось[Hinderer et al., 1995]. Те осцилляции, которые Smylie (1992) принял за триплет Слихтера, повидимому, являются СКА, о которых сейсмологи в то время не имели представления.201.2 Наблюдение глобальных колебаний атмосферы сейсмическимиприборамиСейсмологов и гравиметристов давно занимает проблема исключения из показанийсейсмометров и гравиметров воздействия на эти приборы атмосферных процессов (см.,например, [Zurn and Widmer, 1995]).
Именно поэтому в приборном оборудовании сейсмическихи гравиметрических 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 пор единственной научной организацией в мире, где данныесейсмических приборов (обычно вместе с одновременными показаниями барометров)привлекаются к исследованию динамики атмосферы, является физический факультет СПбГУ.Конкретно в СПбГУ с помощью показаний сейсмометров и гравиметров начато планомерноеисследование глобальных волн в атмосфере.
Начало было положено работой Петровой и Шведа(2000), где были использованы ряды измерений суммарной длительностью всего 9 суток,которые были проведены на кафедре физики Земли СПбГУ сейсмометром с вертикальныммаятником, часто для краткости называемым “вертикальным” сеймометром. Данные этогосейсмометра, но уже с привлечением одновременных барометрических измерений и суммарноза 525 суток, были использованы в работе [Karpova et al., 2002].
Затем эти данные спривлечением сейсмометрических и барометрических измерений двух немецких станций идлительностью измерений не менее 16 месяцев легли в основу статьи Карповой и др. (2004).Последней работой, где использовались одновременные сейсмометрические и барометрическиеизмерения только из СПбГУ (суммарно за 4 осенних месяца) была статья [Shved et at., 2011].
Вработе Беляева и Шведа (2014) к анализу привлекались не исходные ряды измерений, арезультаты их спектрального анализа: наряду с результатами, полученными на основеизмерений разными сейсмическими приборами, использовались результаты барометрическихизмерений и измерений геомагнитного поля. Наконец, в статьях [Швед и др., 2013; Швед и др.,212015], в которых изложены результаты настоящей диссертации, использованы годичные рядысейсмометрических и барометрических измерений, выполненных на немецкой станции вКольме. Итогом всех этих исследований является то, что в широком диапазоне низких частот –от периода ~ 1 ч вплоть до периодов порядка нескольких десятков суток – различныесейсмические приборы регистрируют осцилляции, частоты которых или стабильны, иливарьируют в нешироких пределах. Значительную часть регистрируемых осцилляций можносвязать с глобальными волновыми процессами в земной атмосфере.Глобальные волновые процессы в атмосфере сопровождаются крупномасштабнымиперемещениями воздуха.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
