Как перемешивается атмосфера Земли

Спутник австралийской службы прогноза погоды Weatherzone сделал удивительные видеозаписи и фотографии. На них запечатлены гравитационные волны над австралийским побережьем. Как говорится в комментарии, напоминающие рябь на воде тонкие белые полосы — это облака, образующиеся на гребнях атмосферных гравитационных волн.

Андрей Киселев, кандидат физико-математических наук Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова

Что же скрывается за понятием «гравитационные волны» и почему вышеупомянутые снимки уникальны? Попробуем разобраться. Термин «гравитационная волна» был введен в начале прошлого века замечательным французским ученым Ж. А. Пуанкаре. Десятилетием позже А. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн как колебаний в пространстве-времени в своей общей теории относительности. Как известно, гравитация (всемирное тяготение) имеет место между любыми телами, обладающими массой, причем чем больше масса, тем сильнее притяжение. Например, на планету Земля наибольшее гравитационное воздействие производят Солнце и Юпитер, имеющие массу, многократно превосходящую земную. В свою очередь, масса Земли столь же значительно преобладает над массой любого находящегося на нашей планете объекта. С некоторой долей вольности изложения можно сказать, что наряду с гравитацией космического масштаба действует «местная», земная гравитация. И именно она порождает гравитационные волны в атмосфере и океане, являющиеся в отличие от эйнштейновских физическим явлением. Такие «местные» волны во избежание путаницы называют внутренними гравитационными волнами, или волнами плавучести, и далее разговор пойдет исключительно о них, точнее об атмосферных гравитационных волнах.

Наличие «местной» гравитации порождает стратификацию (расслоение) атмосферы. В нижнем, наиболее плотном слое, тропосфере, температура воздуха убывает с высотой в среднем на 6 К/км, в следующем, более разреженном слое, стратосфере, температура растет, а выше, в еще более разреженной мезосфере, вновь падает. При устойчивой стратификации, когда вертикальный градиент температуры (скорость изменения температуры с ростом высоты) меньше адиабатического (сухо- или влажноадиабатического в зависимости от условий влажности), проникновение в слой «инородных» объемов воздуха вызовет сопротивление окружающей среды: более тяжелый объем начнет «тонуть», а более легкий — «всплывать». Таким образом, сказывается упругость земной атмосферы, и, как в любой упругой среде, внешнее воздействие на нее вызывает ее колебания, проявляющиеся в виде волн.

Обычно выделяют три основных класса атмосферных волн: акустические (звуковые), внутренние гравитационные и планетарные. При этом следует оговориться, что в реальной среде эти волны не проявляются поодиночке, всегда наблюдается их суперпозиция. Акустические волны обусловлены сжимаемостью воздуха. Эти волны являются продольными (то есть волнами, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения), их периоды не превышают 300 с, скорость распространения колеблется около 300 м/c, а длина волны — от сантиметров до десятков метров. Планетарные волны, или волны Россби, появляются вследствие силы Кориолиса. Они имеют период от нескольких суток до нескольких месяцев, скорость — до десятков метров в секунду, длину — от сотен до нескольких тысяч километров. Для внутренних гравитационных волн характерный период измеряется несколькими десятками секунд, скорость распространения изменяется от десятков до сотен метров в секунду, длина достигает нескольких десятков километров и более. В отличие от акустических волн внутренние гравитационные волны являются поперечными: колебания среды в них перпендикулярны направлению распространения волны, поэтому они могут распространяться или горизонтально, или под острым углом к земной поверхности. В нижней атмосфере амплитуды внутренних гравитационных волн невелики, однако в верхних слоях они экспоненциально растут вместе с уменьшением плотности воздуха. Этот рост продолжается до тех пор, пока температурный градиент, обусловленный внутренними гравитационными волнами, не превысит адиабатический. По достижении этого условия волна становится неустойчивой, то есть начинается ее разрушение, одновременно усиливающее турбулентную диффузию.

Главными факторами, способствующими возникновению внутренних гравитационных волн, являются особенности орографии — источника формирования подветренных волн при устойчивой стратификации атмосферы — и фронтальные погодные системы (например, грозы или ситуации, когда одновременно дует ветер с двух направлений, взаимодействующих друг с другом), в меньшей степени — турбулентность, стремление атмосферных движений к геострофическому равновесию, неустойчивость системы (например, в сейсмически активных регионах) и др.

Уже в 1970-е годы, на заре математического моделирования климата, выяснилось, что получаемые в модельных расчетах параметры меридионального, от экватора к полюсам, переноса значительно отличаются от наблюдаемых (в то время, в условиях острого дефицита вычислительных возможностей, горизонтальные шаги модельной сетки были столь велики, что модели могли воспроизводить лишь крупномасштабные, сопоставимые с размерами материков и океанов горизонтальные атмосферные движения: западный перенос в умеренных широтах обоих полушарий, пассаты, муссоны, струйные течения, планетарные волны, циклоны, антициклоны). Среди возможных причин такого расхождения было названо и отсутствие учета в моделях эффекта внутренних гравитационных волн, имеющих меньший, «подсеточный» масштаб. Для того чтобы преодолеть такое несоответствие, был использован традиционный метод — включение в модели соответствующих параметризаций, что позволило заметно улучшить согласие теории и практики. Со временем качество климатических моделей, равно как и моделей численного прогноза погоды, интенсивно улучшалось, совершенствовались и параметризации, которые, тем не менее, до сих пор являются основным инструментом учета эффектов гравитационных волн в численном моделировании.

В те же 1970-е в Скалистых горах (США, штат Колорадо), а десятилетием позже и в Европе (в Альпах, на Пиренеях и на Британских островах) в ходе самолетных экспедиций начались исследования влияния горного рельефа на формирование и последующее развитие гравитационных волн (в частности, производились измерения потока импульса гравитационной волны — параметра, знание которого критически важно для устранения вышеупомянутого рассогласования между модельными и наблюдаемыми величинами меридионального переноса). Одновременно осуществляются наземные микробарографические наблюдения в центральных Аппалачах (США), включавшие измерения перепада давления на гребне, в ходе анализа результатов выяснилось, что сопротивление давлению хорошо коррелирует с перпендикулярным к хребту компонентом горного ветра. Словом, «процесс пошел», и полученные в последующие годы данные наблюдений помогли улучшить качество параметризаций, а с ним и понимание особенностей гравитационных волновых процессов и их вклада в атмосферную динамику.

В нижней атмосфере, где амплитуды внутренних гравитационных волн невелики, их влияние незначительно. Однако они являются важным механизмом связи явлений в нижней и верхней атмосфере. Распространение этих волн из нижних слоев существенно сказывается на многих процессах в вышележащей средней и верхней атмосфере: на общей циркуляции, температурном режиме, формировании химического состава. В мезосфере, на высоте 60 км и выше, происходит быстрый нелинейный рост амплитуды волны, ведущий к ее разрушению. При этом импульс и энергия волны передаются хаотически движущимся молекулам атмосферы, вследствие чего там меняются температура воздуха, а с ней и интенсивность химических реакций, а также скорость ветра. Отмечается и воздействие внутренних гравитационных волн на ионосферу. В частности, ряд исследований посвящен изучению вариаций электронной концентрации в ионосфере, вызванных волнами, возбуждаемыми землетрясениями и взрывами.

Относительная слабость атмосферных гравитационных сил (по сравнению с другими) вызывает значительные трудности для их регистрации. Как и многие прочие атмосферные волны, внутренние гравитационные относятся к разряду «невидимок», поэтому могут быть обнаружены средствами наблюдения лишь тогда, когда вызывают движения в облаках (известный советский геофизик, академик В. В. Шулейкин писал: «Хорошим индикатором таких волн в атмосфере могут служить волнистые облака»). Благодаря счастливому стечению обстоятельств спутнику австралийской службы прогноза погоды Weatherzone удалось документально запечатлеть след, оставленный гравитационной волной-«невидимкой».