CC BY
11УДК 551.51
АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТРОПОСФЕРЕ, РЕГИСТРИРУЕМЫЕ ПРИ КОСМИЧЕСКОМ ЗОНДИРОВАНИИ
А. А. Додышева1, В. Б. Кашкин2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Сибирский федеральный университет Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. E-mail: [email protected]
Использование спутникового температурно-влажностного зондирования атмосферы позволило наблюдать инфра-низкочастотные волны в тропосфере. Наряду с внутренней гравитационной волной впервые обнаружена зеркальная волна, обсуждается её природа.
Ключевые слова: космическое дистанционное зондирование, тропосфера, волны в атмосфере, вертикальные профили температуры и влажности.
ACOUSTIC TROPOSPHERE WAVES DETECTED WITH SPACE REMOTE
SENSING TECHNIQUE
A. A. Dodysheva1, V. B. Kashkin2
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia 2Siberian Federal University 79, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia. E-mail: [email protected]
Satellite sounding of atmosphere vertical profiles allows observing infra low frequency acoustic waves in the troposphere. In addition to the inner gravity waves the new kind of waves named mirror waves was found. The nature of the mirror waves is discussed.
Keywords: remote sensing, waves in troposphere, the vertical temperature and moisture profiles.
При дистанционном зондировании вертикальной влажностной и температурной структуры тропосферы сенсоры регистрируют инфракрасную и микроволновую радиацию, излучаемую подстилающей поверхностью и атмосферой [1]. Что касается атмосферы, то в инфракрасном диапазоне наибольший вклад вносят диоксид углерода и водяной пар [1], в микроволновом - кислород и водяной пар. Ключевым моментом является использование зависимости ширины линии излучения (поглощения) газов от давления [2], поэтому результаты зондирования привязаны к изобарическим уровням атмосферы.
В настоящее время основная информация о вертикальных профилях атмосферы поступает со спутников NO A A (США) [3], снабженных аппаратурой ATOVS для оценки температуры и влажности на различных высотах в полосе обзора 2 250 км с пространственным разрешением до 20 км при вертикальном разрешении 2-3 км. Данные доступны на сайте Air Recourse Laboratory NOAA на сетке 1°х1° по широте и долготе, временные ряды имеют шаг 3 часа [4].
На рис. 1 показана зависимость температуры от давления для стандартной тропосферы (СА) и реальные профили температуры и относительной влажности в районе г. Красноярска. Данные приняты станцией СФУ со спутника NOAA-19 15 мая 2010 г. 06:02 UTC. На рис. 1 А - профиль температуры СА, Б и В -реальные профили температуры и влажности.
Для СА принят постоянный вертикальный градиент температуры а = - 0,65 K/100 м, температура на
высоте г над уровнем моря г0 равна T = Т - |а| z ,
Т0 = 288,15 К, давление р0 = 1 013,25 гПа. Зависимость давления р от высоты в этом случае описывается барометрическими формулами для политропной атмосферы [5]:
p = p 0
( T0 - az ^ Rc H
T0
T = T 0
л
Rc |a|
p 0 /
(1)
Здесь g - ускорение свободного падения; Яс = = 287 м2/(с2К) - удельная газовая постоянная сухого воздуха. Из рис. 1 видно, что для стандартной тропосферы (А) при снижении давления до 226,14 гПа температура уменьшается до -56,5°С (216,65 К), далее в тропопаузе температура постоянная. Профиль Б отличается от профиля А тем, что температура вначале уменьшается, но растет при давлении менее 250 гПа.
На рис. 2 приведены графики временных рядов температуры на изобарических уровнях 200 и 400 гПа в районе г. Красноярска в июле 2012 г. по данным с сайта [4].
Авторы [6] приводят обзор возможных механизмов образования волн в нижней атмосфере, на первое место ставится орография, так как течение воздуха над элементами рельефа может генерировать бегущие волны.
Использование космических средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды
Рис. 1. Зависимость температуры и влажности от давления
изобарические уровни — 200 гПа -400 гПа
■60 ............................................................
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
июль 2012 г.
Рис. 2. Изменение температуры на изобарических уровнях 200 гПа и 400 гПа
Другими причинами флуктуаций температуры на уровне 400 гПа могут быть изменения метеорологических параметров в приземном слое и на различных высотах, а в сейсмически активных районах - подвижки земной коры.
Особенностью волн на рис. 2 является их частота -менее 4 10-5 Гц и слабое затухание на значительном расстоянии, по этим признакам можно полагать, что при 400 гПа наблюдаются инфра-низкочастотные внутренние гравитационные волны (ВГВ) [6].
На рис. 2 при 200 гПа обнаруживается вторая волна, почти зеркально отображающая первую, коэффициент корреляции между волнами за июль 2012 г. составил Я = -0,8801. Мы назвали эту волну зеркальной волной (ЗВ), выяснили ее природу и построили модель ЗВ.
Обратимся к рис. 1. На участке от 850 до 250 гПа температура изменяется как Т = Т1 - |а| г ; считаем, что
от 250 до 100 гПа температура растет по линейному закону: Т = Т1 + в(г - г1), Т1 - температура на уровне г1 при давлении р1 = 250 гПа. Давление на уровне г0 меняется: р0 = р0 + Р соз(ю/) , например, из-за подвижек земной коры. Возбуждаемые при этом волны движутся со скоростью звука, за время прохождения волны состояние среды не успевает измениться, это позволяет использовать уравнение статики атмосферы (1).
На рис. 3 вверху построен график зависимости от времени модельной ВГВ на уровне р = 400 гПа. Здесь Т0, р0 и а взяты такими же, как и для стандартной атмосферы. На графике показан также «всплеск» температуры, имитирующий сейсмическое событие.
Рис. 3. Моделирование внутренней гравитационной волны и зеркальной волны
Используя (2), можно показать, что при Т > Т1
Т = Т
Г р_ 1
V Р1 У
ЯсР
= Т I *
= Т
Ясв
Р0 1 *
ГтЛ1
Т1
V Т0 У
(2)
По формуле (2) для Т1 = 213,15 К, в = -4 построена ЗВ, показанная рис. 3, внизу. Результаты могут быть использованы при мониторинге сейсмической активности.
а
Библиографические ссылки
1. Тимофеев Ю. М., Васильев А. В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб. : Наука, 2003. 474 с.
2. Лаврентьева Н. Н. Уширение, сдвиг и интерференция колебательно-вращательных линий атмосферных газов: дис. ... д-ра физ.-мат. наук : 01.04.05. Томск, 2005. 236 с.
3. URL: http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/ (дата обращения 3.04.2013).
4. URL: http://www.arl.noaa.gov/ready/cmet.html (дата обращения: 25.03.2013).
5. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. 752 с.
6. Госсард Э. Э., Хук У. Х. Волны в атмосфере. М. : Мир, 1978. 532 с.
References
1. Timofeev Ju. M., Vasil'ev A. V. Teoreticheskie os-novy atmosfernoj optiki. Spb.: Nauka, 2003. 474 s.
2. Lavrent'eva N. N. Ushirenie, sdvig i interferencija kolebatel'no-vrashhatel'nyh linij atmosfernyh gazov: dis. ... d-ra fiz.-mat. nauk : 01.04.05 Tomsk, 2005. 236 s.
3. URL: http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/ (data obrashhenija: 3.04.2013)
4. URL: http://www.arl.noaa.gov/ready/cmet.html (data obrashhenija: 25.03.2013).
5. Matveev L. T. Kurs obshhej meteorologii. Fizika atmosfery. L. : Gidrometeoizdat, 1984. 752 s.
6. Gossard Je. Je., Huk U. H. Volny v atmosfere. M. : Mir, 1978. 532 s.
© Додышева А. А., Кашкин В. Б., 2013
УДК 551.2; 551.24; 550.34; 550.338.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕРРИТОРИИ ЖЕТЫСУЙСКОГО АЛАТАУ С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Б. А. Искаков, Б. К. Курманов, А. Ж. Бибосынов, Н. А. Асанкулов
ДТОО «Институт ионосферы» Республика Казахстан, 050020, г. Алматы, Каменское плато. E-mail: [email protected]
Создана геомеханическая модель территории Жетысуйского Алатау с учетом особенности рельефа исследуемой области, геолого-геофизических свойств грунтов и трендового направления движений земной поверхности.
Построена 3Б-модель земной коры области [(43.0° - 46.5°) с. ш., (78.0° - 84.0°) в. д.] и до глубин 40 км, охватывающей горные системы - хребты Жетысуйский Алатау, Боро-Хоро, Кетмень - для исследования динамики и механизмов эволюции напряженно-деформированного состояния различных ее участков и построения их геомеханических моделей.
Ключевые слова: GPS-измерения, наземно-космический мониторинг.
STUDY OF GEODYNAMIC PROCESSES OF ZHETYSU ALATAU TERRITORIES USING SATELLITE TECHNOLOGIES
B. A. Iskakov, B. K. Kurmanov, A. Zh. Bibosynov, N. A. Asankulov Institute of Ionosphere
Kamenskoe plato, Almaty, 050020, Republic of Kazakhstan. E-mail: [email protected]
Geo-mechanical model of Zhetysu Alatau territory is created considering the features of the relief of the researched area, geological and geophysical characteristics of soils and trend direction of the Earth surface movements.
3D-model of the Earth crust in the region is made: (43.0°-46.5°) northern latitude, (78.0°-84.0°) east longitude, to the depth of 40 km covering mountain ranges - Zhetysu Alatau, Boro Khoro, Ketmen ranges to study the dynamics and mechanisms of evolution of the stress strain state of its different parts and the construction of their geomechanical models.
Keywords: GPS-measurement, ground-space monitoring.
Цель настоящей работы: создание и развитие системы наземно-космического мониторинга геодинамических и геофизических явлений и процессов, происходящих в земной коре сейсмоопасных регионов Казахстана, для исследования динамики и механизмов эволюции напряженно-деформированного состояния различных ее участков и построения их геомеханических моделей.
Основные задачи:
- сбор и обработка данных локальной и региональной сетей вР8-измерений;
- создание базы геолого-геофизических, картографических территории Жетысуйского Алатау;
- построение геомеханических моделей земной коры для территории Жетысуйского Алатау.
Методы исследований:
