Волны в атмосфере

ВОЛНЫ В АТМОСФЕРЕ, распространяющиеся в атмосфере Земли колебания воздуха. Различают собственные колебания атмосферы (атмосфера Земли является колебательной системой и обладает собственными частотами) и волновые движения, возникающие под действием внешних сил. В зависимости от физической природы этих сил выделяют три основных класса волн в атмосфере; акустические (звуковые), внутренние гравитационные и планетарные. В природе, как правило, наблюдаются смешанные типы волновых движений, представляющие собой суперпозицию волн различных типов. Источники волн находятся в основном в нижней атмосфере, в то же время теоретические и экспериментальные исследования показывают, что волновые движения могут распространяться в более высокие слои, увеличивая свою амплитуду вследствие убывания плотности атмосферы с высотой.

Акустические волны обусловлены сжимаемостью воздуха. Эти волны являются продольными, их периоды не превышают 300 с, скорость распространения колеблется около 300 м/с. Амплитуды давления малы (1-10 Па), за исключением волн, возникающих при взрывах.

Внутренние гравитационные волны (ВГВ, смотри Внутренние волны) обусловлены силой тяжести. ВГВ возникают в результате изменения плотности воздуха с высотой, когда в условиях устойчивой температурной стратификации атмосферы на элементарный объём воздуха, сдвинувшийся по каким-либо причинам вверх или вниз, действует возвращающая сила. Скорость распространения таких волн изменяется от десятков до сотен метров в секунду, длина достигает нескольких десятков километров и более. В нижней атмосфере амплитуды ВГВ невелики, однако в верхних слоях они растут вместе с уменьшением плотности воздуха. На высотах свыше 60 км может начаться быстрый нелинейный рост амплитуды волны, приводящий к её обрушению. При этом импульс и энергия волны передаются хаотически движущимся молекулам атмосферы, что изменяет температуру воздуха и скорость ветра. Данный процесс позволяет объяснить существование холодной летней и тёплой зимней мезопаузы на высоте около 80 км. К гравитационным волнам относят также атмосферные приливы (суточный и полусуточный), которые возникают во вращающейся атмосфере вследствие неравномерного во времени поглощения солнечной радиации озоном и водяным паром.

Во вращающейся среде возникают гироскопические волны, обусловленные Кориолиса силой. В реальной атмосфере наблюдаются смешанные типы волн: гравитационно-гироскопические и инерционно-гироскопические, называемые также планетарными или Россби волнами. Последние имеют длину от сотен до нескольких тысяч километров, скорость - до десятков метров в секунду, амплитуда давления в нижней атмосфере составляет 2?10³—10⁴ Па. Эти волны представляют наибольший интерес для прогноза погоды. Гребень волны совпадает с центром антициклона, а впадина волны - с центром циклона. Наиболее длинные из этих волн в зимний и осенний периоды могут проникать в более высокие слои атмосферы, на высоты до 100 км (на больших высотах эти волны затухают).

Волновые движения являются неотъемлемой частью атмосферной динамики, определяя погодные процессы в нижней атмосфере, осуществляя взаимодействие нижних слоёв с верхней атмосферой и внося значительный вклад в её термодинамический режим. Для изучения атмосферных волн различной природы используются современные глобальные спутниковые системы наблюдения за атмосферой, а также компьютерные модели высокого пространственного и временного разрешения.

Лит.: Дикий Л. А. Теория колебаний земной атмосферы. Л., 1969; Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. М., 1978.