Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Настоящая работа посвящена описанию ВГВ волноводных мод с помощью диссипативного решения над источником [Руденко, Дмитриенко, 2015]. Такое описание сравнивается с их описанием на основе решений бездиссипативных уравнений — как точных, так и в ВКБ-приближении. Показано, что дисперсионные соотношения для волноводных возмущений, рассчитываемые любым из методов, близки друг другу и хорошо согласуются с наблюдаемыми характеристиками перемещающихся ионосферных возмущений. Использование диссипативного решения над источником позволяет, в отличие от остальных методов, адекватно описать пространственную структуру возмущения в верхней атмосфере.
ВГВ, волноводное распространение, ПИВ
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена исследованию свойств захваченных атмосферных мод, простирающихся на большие высоты. Описание таких мод может быть получено с помощью диссипативного решения над источником (ДРНИ) [Руденко, Дмитриенко, 2015]. Действительно, ДРНИ удовлетворяет верхнему граничному условию для захваченных мод — непоступлению энергии сверху, а так как источник в задаче о захваченных модах отсутствует, ДРНИ справедливо во всей атмосфере. ДРНИ может принимать на поверхности Земли, вообще говоря, произвольные значения. Таким образом, задача поиска решений для захваченных мод сводится к задаче выбора ДРНИ, удовлетворяющих нижнему граничному условию для захваченных мод — нулевой вертикальной скорости на поверхности Земли; это граничное условие определяет дисперсионное уравнение для захваченных мод.
Мы рассматриваем ВГВ-моды волновода, создаваемого температурной стратификацией нижней атмосферы. Такие моды даже без учета атмосферной диссипации не могут описываться решениями с действительными собственными значениями вследствие подбарьерного просачивания из волновода. Так что, строго говоря, рассматриваемые захваченные моды являются не отдельными дискретными модами, а коллективными. Однако с точки зрения нашей задачи это обстоятельство существенно только тем, что мы должны строить решение над источником с комплексными частотой или волновым числом — в отличие от [Руденко, Дмитриенко, 2015], где для расчетов использовались действительные параметры частоты и волнового числа. Мы в настоящей работе полагаем заданной действительную частоту и находим соответствующее ей комплексное горизонтальное волновое число, при котором ДРНИ удовлетворяет нижнему граничному условию. Такое ДРНИ и представляет собой волноводную моду. Согласно [Руденко, Дмитриенко, 2015], ДРНИ образуется посредством соединения трех решений: аналитического решения для верхней части атмосферы (RI), рассматриваемой в рамках изотермического приближения и численных решений для реальной неизотермической диссипативной атмосферы в средней части (RII) и для реальной неизотермической в рамках приближения малой диссипации в нижней части (RIII). Таким образом, получаемые для волноводных мод решения дают связь их амплитуды и других параметров в нижней атмосфере с их параметрами в верхней изотермической атмосфере.
Возможность описания амплитудных характеристик волноводных мод на больших высотах является крайне важной, прежде всего с точки зрения их экспериментального обнаружения. Несмотря на то что энергия волноводных мод в основном сосредоточена на низких высотах в области их захвата, в силу экспоненциального роста относительных величин возмущений, связанного с падением атмосферной плотности, мы имеем лишь опосредованную возможность их наблюдения преимущественно в верхней части атмосферы. В этой области относительные значения возмущенных величин велики по сравнению с их значениями в нижней части атмосферы и на тех высотах, где возмущения еще не совсем подавлены диссипацией, они могут приводить к значительным возмущениям заряженной компоненты ионосферы. Именно благодаря «невидимому» распространению ВГВ внизу мы наблюдаем весьма распространенное явление перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ).
Работа организована следующим образом. В секции 1 описана применяемая для расчетов модель атмосферы. Секция 2 посвящена построению и анализу волноводных мод спектрального диапазона ВГВ. Мы сравниваем решения волноводной задачи, построенные с помощью ДРНИ, с решениями для бездиссипативного приближения, полученными как ВKБ-методом, так и численными методами. Такие сравнения преследуют сразу две цели. Во-первых, они позволяют достичь ясности в понимании влияния диссипации на основные характеристики волноводного распространения: дисперсионные соотношения, волноводное просачивание и горизонтальное затухание волноводных мод. Во-вторых, они являются дополнительными тестами к тестам [Руденко, Дмитриенко, 2015] как метода получения ДРНИ, так и соответствующих кодов. Мы получаем дисперсионные свойства и полное описание высотной структуры всех компонент возмущения. В полученном волноводном решении присутствуют все характерные особенности захваченных ВГВ в реальной атмосфере: локализация вследствие температурной стратификации; просачивание через область непрозрачности; качественные изменения волновой структуры, связанные с диссипативным характером распространения возмущения в верхней атмосфере. Мы получаем полную информацию о всей высотной структуре волноводных мод, которая непосредственно может быть использована для установления количественного соответствия ВГВ-мод с ПИВ. Мы показываем, что наши волноводные решения хорошо согласуются с основными характеристиками ПИВ, следующими из наблюдений: соотношениями периодов с пространственными масштабами, горизонтальным затуханием, величинами полной фазовой скорости распространения, наклонами фазовых фронтов.
Следует отметить, что волноводные моды исследовались в давних работах [Francis, 1973a, b] и их результаты широко используются и в теоретических работах, и в интерпретации наблюдений различных возмущений, в том числе и в верхней атмосфере [Shibata, Okuzawa, 1983; Afraimovich et al., 2001; Vadas, Liu, 2009; Vadas, Nicolls, 2012; Idrus et al., 2013; Heale et al., 2014; Hedlin, Drob, 2014 и др.]. В работах [Francis, 1973a, b] были получены дисперсионные характеристики и вертикальные структуры волноводных мод. В работе [Francis, 1973b] было показано, что одна или две нижние ВГВ-моды способны за счет волноводного просачивания присутствовать на ионосферных высотах. Метод Фрэнсиса может рассчитывать достаточно хорошо структуру волновых возмущений в нижней части атмосферы и дисперсионные характеристики захваченных неоднородностями нижней атмосферы мод. Детально метод Фрэнсиса с точки зрения его применимости в верхней атмосфере обсужден в [Руденко, Дмитриенко, 2015]. Здесь мы отметим только то обстоятельство, что особенности метода Фрэнсиса, состоящие в использовании всюду понижения порядка дифференциальных уравнений, допустимого только при слабой диссипации, в действительности не позволяют получить правильного описания возмущений в верхней атмосфере. В отличие от метода Фрэнсиса в нашем методе построения ДРНИ мы используем понижение порядка волновых уравнений до второго (в собственном варианте) только для области высот малой диссипации, где это вполне оправданно. Поэтому наш метод, в отличие от метода Фрэнсиса, позволяет адекватно описывать верхнеатмосферные возмущения.
1. Ахмедов Р.Р., Куницын В.Е. Моделирование ионосферных возмущений, вызванных землетрясениями и взрывами // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44, № 1. С. 1-8.
2. Медведев А.В., Ратовский К.Г., Толстиков М.B., Кушнарев Д.С. Метод исследования пространственно-временной структуры волновых возмущений в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 6. С. 812-823.
3. Руденко Г.В., Дмитриенко И.С. Волна над источником в теплопроводной атмосфере. Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 4. С. 11-29.
4. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Lesyuta O.S., et al. Geo-magnetic control of the spectrum of traveling ionospheric distur-bances based on data from a global GPS network // Ann. Geo-phys. 2001. V. 19, iss. 7. P. 723-731. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-19-723-2001.
5. Francis S.H. Acoustic-gravity modes and large-scale tra-veling ionospheric disturbances of a realistic, dissipative atmosphere // J. Geophys. Res. 1973a. V. 78. P. 2278.
6. Francis S.H. Lower-atmospheric gravity modes and their relation to mediumscale traveling ionospheric disturbances // J. Geophys. Res. 1973b. V. 78. P. 8289-8295.
7. Heale C.J., Snively J.B., Hickey M.P., Ali C.J. Thermospheric dissipation of upward propagating gravity wave packets // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2014. V. 119, iss. 5. P. 3857-3872. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA019387.
8. Hedlin Michael A.H., Drob Douglas P. Statistical characterization of atmospheric gravity waves by seismoacoustic observations // J. Geophys. Res. Atmos. 2014. V. 119, iss. 9. P. 5345-5363. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JD021304.
9. Hines C.O. Internal atmospheric gravity waves at ionospheric heights // Can. J. Phys. 1960. V. 38. P. 1441-1481.
10. Hocke K., Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Ann. Geophys. 1996. V. 14. P. 917-940.
11. Hunsucker R.V. Atmospheric propagation of atmospheric gravity waves: A review // Rev. Geophys. and Space Phys. 1982. V. 20. P. 293-315.
12. Idrus Intan Izafina, Abdullah Mardina, Hasbi Alina Marie, et al. Large-scale traveling ionospheric disturbances observed using GPS receivers over high-latitude and equatorial regions // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013. V. 102. P. 321-328. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.06.014.
13. Kirchengast G., Hocke K., Schlegel K. Gravity waves determined by modelling of travelling ionospheric disturbances in incoherent scatter radar measurements // Radio Sci. 1995. V. 30. P. 1551-1567.
14. Ma S.Y., Schlegel K., Xu J.S. Case studies of the propagation characteristics of auroral TIDs with EISCAT CP2 data using maximum entropy cross-spectral analysis // Ann. Geophys. 1998. V. 16, N 2. P. 161-167.
15. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., et al. Studying of the spatial-temporal structure of wavelike ionospheric disturbances on the base of Irkutsk Incoherent Scatter Radar and digisonde data // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013. V. 105. P. 350-357.
16. Oliver W.L., Fukao S., Sato T., et al. Ionospheric inco-herent scatter measurements with the middle and upper atmo-sphere radar: Observations during the large magnetic storm of February 6-8 // J. Geophys. Res. 1988. V. 93, N A12. P. 14649-14655.
17. Ratovsky K.G., Medvedev A.V., Tolstikov M.V., Kushnarev D.S. Case studies of height structure of TID propagation characteristics using cross-correlation analysis of incoherent scatter radar and DPS-4 ionosonde data // Adv. Space Res. 2008. V. 41. P. 1453-1457.
18. Shibata T., Okuzawa T. Horizontal velocity dispersion of medium-scale travelling ionospheric disturbances in the F-region // J. Atmos. Terr. Phys. 1983. V. 45. P. 149-159.
19. Vadas S.L., Nicolls M.J. Using PFISR measurements and gravity wave dissipative theory to determine the neutral, background thermospheric winds // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35, iss. 2, CiteID L02105. URL: http://dx.doi.org/10.1029/2007GL 031522 (accessed August 15, 2015).
20. Vadas S.L., Nicolls M.J. The phases and amplitudes of gravity waves propagating and dissipating in the thermosphere: Theory // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, iss. A5. CiteID A05322. DOI:https://doi.org/10.1029/2011JA017426.
21. Vadas Sharon L., Liu Han-li. Generation of large-scale gravity waves and neutral winds in the thermosphere from the dissipation of convectively generated gravity waves // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, iss. A10. CiteID A10310. DOI: 10.1029/ 2009JA014108.
22. Williams P.J.S., Virdi T.S., Lewis R.V., et al. Worldwide atmospheric gravity-wave study in the European sector 1985-1990 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 1993. V. 55, N 4-5. P. 683-696.
