«Определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы при исследовании генезиса атмосферных катастроф»
Научное и технико-экономическое обоснование КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «Конвергенция»
«Определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы при исследовании генезиса атмосферных катастроф»
1. Сущность исследуемой проблемы
Для изучения процессов, происходящих в системе атмосфера-океан, необходимо знание большого числа различных характеристик этой системы. Прежде всего, это трёхмерные температурные поля, представляющие как самостоятельный интерес, так и необходимые для восстановления полей влажности. Сюда необходимо отнести данные по температуре поверхности океана (ТПО), интегральной водности и температуре облачности, величине и направлению приповерхностного ветра. Знание этих характеристик необходимо для изучения системы атмосфера-океан, а также учёта взаимного влияния различных метеопараметров на точность проводимых измерений. Для этих целей необходимо проводить измерения в широком диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн. Оценка возможности использования этого диапазона для измерения метеопараметров может быть получена из спектров радиояркостной температуры системы атмосфера-океан. В предлагаемом КЭ рассматривается возможность восстановления детальных профилей водяного пара в тропической атмосфере Земли по данным спутниковых измерений радиотеплового микроволнового излучения. Тропическая атмосфера в качестве объекта исследований даёт возможность изучения физических условий генезиса и эволюции тропических циклонов (ТЦ) и предсказания возникновения катастрофических ураганов и тайфунов. Одним из основных факторов, определяющих происходящие в системе атмосфера-океан процессы, является атмосферный водяной пар. Получение оперативной информации о детальных трёхмерных полях влажности методами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса позволит решить ряд актуальных научных и практических задач. Следует добавить, что задача получения таких полей на сегодняшний день не решена, хотя над её решением работают учёные разных стран. Сюда можно отнести американский радиометр GMI, входящий в проект изучения глобального водяного цикла Global Precipitation Measurement (GPM), представляющий собой микроволновой многоканальный радиометр с коническим сканированием, в который входит 13 каналов на семи частотах от 10 до 190 ГГц, европейский прибор Microwave Humidity Sounder (MHS) с поперечным сканированием на частоты от 89 до 190 ГГц, работающий совместно с радиометром AMSU-A для поколения КА серии полярных спутников Metop, франко-индийский проект MEGHA-TROPIQUES (CNES/ISRO).
Целью космического эксперимента является исследование основ зарождения и эволюции крупномасштабных кризисных атмосферных процессов типа тайфунов и тропических циклонов как одних их основных элементов в формировании глобального массо - и влагообмена в системе океан-атмосфера, измерение абсолютных радиояркостных температур системы атмосфера-океан тропиков в диапазоне 6…220 ГГц, определение детальных профилей температуры и влажности атмосферы.
2. Краткая история и состояние исследований в настоящее время
Хорошо известно, что тропическая зона глобальной системы океан-атмосфера играет ключевую роль в динамике и эволюции синоптических и климатических метеорологических процессов на Земле. Эта зона обладает совершенно уникальным свойством генерации достаточно организованных и устойчивых мезомасштабных вихревых структур — тропических циклонов. В течение значительного времени человеческое сообщество рассматривало тропические циклоны как наиболее деструктивные элементы системы океан-атмосфера, вызывающие значительные материальные потери и человеческие жертвы. Были предприняты серьёзные (и отметим совершенно безрезультативные) усилия с тем, чтобы подавить теми или иными техническими средствами этот вид активности системы океан-атмосфера.
В течение длительного времени процесс генерации таких вихревых систем в земной атмосфере рассматривался на базе стандартных метеорологических подходов как чисто метеорологический феномен. Только после серии работ, начиная с 1983 г., выполненных под руководством академика Сагдеева Р. З. и профессора Моисеева С. С.[1],[2], стало понятным, что серьёзный прогресс при изучении таких сложных систем может быть получен только при использовании новых физических подходов как в теоретическом, так и экспериментальном плане. Более того, мы с большой долей вероятности можем говорить об определяющей роли тропических циклонов в формировании глобального массо - и энергообмена в глобальной системе океан-атмосфера и установлении благоприятного для биологической жизни (в том числе, и для человеческого сообщества) на Земле парникового эффекта. Таким образом, глобальный тропический циклогенез, скорее всего, является необходимым и, возможно, определяющим фактором в экологическом равновесии как в геофизической системе океан-атмосфера, так и в экосистемах Земли. Катастрофические атмосферные вихри представляют собой своеобразный механизм эффективного сброса избыточного тепла в атмосфере в условиях, когда действие обычных механизмов, основным из которых является турбулентная конвекция и глобальная циркуляция, становится явно недостаточным. Таким образом, катастрофические явления играют важную (и, как это не парадоксально звучит, полезную для человечества) роль при установлении климатического температурного режима Земли (парниковый эффект), отводя излишнее тепло и способствуя предотвращению чрезмерного перегрева планеты в тропической зоне.
С другой стороны, важнейшим вопросом при первоначальном циклогенезе и интенсификации различных форм тропических циклонов становится выявление малоинерционного источника энергии, за счёт которого чрезвычайно быстро происходит интенсификация и формирование зрелых форм тропических циклонов. Точка зрения, что этим источником может быть только акватория океана с высокой поверхностной температурой, имеет длительную историю и множество приверженцев. Однако за последнее время появились явные признаки неудовлетворительности такой точкой зрения, например, в связи с катастрофически быстрой интенсификацией тропического циклона Katrina с последующим ударом по прибрежным районам США.
Впервые идеи о том, что исследования взаимодействия ТЦ с системой океан-атмосфера не могут ограничиваться тропосферой и должны базироваться на рассмотрении крупномасштабного кризисного состояния как глобального явления, затрагивающего различные геофизические среды, начиная с океанической поверхности и тропосферы и кончая озоносферой и ионосферой, были высказаны в 1996 г. сотрудниками ИКИ РАН[3]. Изучение кинематических, термодинамических и электродинамических связей между элементами системы океан-тропосфера-верхняя атмосфера-ионосфера в кризисных состояниях, несомненно, станет важнейшей компонентой космических исследований, и в настоящее время предпринимаются попытки организации комплексных исследований при помощи ракетного, радиолокационного ионосферного зондирования.
Современный подход. В настоящее время исследование генезиса и эволюции устойчивых вихревых систем на фоне особенностей глобальной циркуляции и турбулентного хаоса тропической атмосферы развивается в двух принципиальных направлениях[4]:
• «локальный» подход (индивидуальный циклогенез), используемый при исследовании образования единичной (индивидуальной) вихревой структуры из волновых движений в атмосфере и турбулентного хаоса в условиях локальной и достаточно сильной неравновесности системы океан-атмосфера;
• «глобальный» подход (множественный циклогенез), рассматривающий образование вихревых систем в акватории Мирового океана как совокупности центров генерации вихревых систем в активной среде природной системы океан-атмосфера (при этом последняя рассматривается в глобальном масштабе). Этот подход предложен сотрудниками ИКИ РАН в 1993 г.[5] и успешно развивается в настоящее время4.
Локальный подход. Тропический циклон представляет собой явление природы крупного масштаба, и естественно считать, что его генезис (образование) обусловлен крупномасштабной гидродинамической неустойчивостью, т. е. состоянием физической системы при котором её физические параметры подвержены резкому изменению благодаря появлению внутренних источников энергии в системе. Попытки обнаружения такого рода неустойчивости в гидродинамике атмосферы (наряду с теми примитивными моделями, о которых мы уже упоминали) привели к построению так называемой модели условной неустойчивости второго рода Conditional Instability Second Kind (CISK)[6]. Эта в значительно мере феноменологическая модель считалась основной последние четыре десятилетия и обусловила появление целой плеяды дочерних моделей. Модель была построена на основе уравнений несжимаемой жидкости и состояла в том, что возмущения в тропической зоне и возмущения масштаба кучевого облака взаимодействуют посредством (на первый взгляд, странного) механизма поверхностного трения воздушных потоков о морскую поверхность. Основным элементом в модели CISK стала методика специального математического приёма — так называемая параметризация мелкомасштабной конвекции, обусловившая обратную связь крупномасштабной неустойчивости за счёт усиления геострофического течения при увеличении давления в обозначившейся тропической депрессии. Несмотря на явно искусственные введённые представления и приёмы, было показано, что модель CISK описывала крупномасштабную неустойчивость. Однако с выходом за пределы приближения несжимаемой атмосферы модель теряла все свои достоинства. За прошедшие 40 лет явных экспериментальных результатов, которые доказывали в явной форме справедливость этой теории, так и не было получено, и в настоящее время она стремительно теряет своих сторонников.
Наконец, к началу 1980-х гг. стало ясным, что в решении этой сложнейшей задачи надо исходить из основных физических законов термогидродинамики без включения феноменологических (т. е. внешних по отношению к рассматриваемой теории) представлений и параметров. Преимущества такого подхода (и, надо сказать, очень сложного в реализации) очевидны, поскольку они позволят оправдать уже существующие эмпирические правила обработки спутниковых данных и сформулировать новые недостающие правила исходя из первых физических принципов. Отметим, что необходимость такого концептуального перехода впервые была осознана (и реализована) физиками Института космических исследований РАН.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
Основные порталы (построено редакторами)