Номинация ²Лучшая научная работа Института²

Направление : Фундаментальные и прикладные научные исследования планеты Земля

 

Цикл работ по электрической турбулентности и вихревым структурам в атмосфере

 

Данный цикл работ включает публикации из 3 статей.

 

1) S.N. Arteha, A.V. Belyan, N.S. Erokhion. Electromagnetic phenomena in atmospheroc plasma-like subsystems. Вопросы атомной науки и техники. Серия Плазменная электроника и новые методы ускорения. 2013. № 4 (86). С.115-120. 

2) Краснова И.А., Ерохин Н.С., Зольникова Н.Н., Михайловская Л.А. Анализ обобщенной масштабной инвариантности для электрической турбулентности в грозовой облачности. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013, т.10, № 3, с.114-121.

3) Ерохин Н.С., Зольникова Н.Н., Михайловская Л.А., Лазарев А.А. Анализ малопараметрической модели сезонного хода крупномасштабного регионального циклогенеза с вариациями скорости ветра. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013, т.10, № 2, с.206-211. 

 

Аннотация

 

Как известно, ветровые потоки в интенсивных атмосферных вихрях типа тропических циклонов (ТЦ) обладают гидродинамической спиральностью,  которая повышает их устойчивость и увеличивает время существования. Кроме того, в  ТЦ имеются заряженные подсистемы, создающие большие напряженности электрического поля порядка 100 кВ/м, которые способствуют генерации в  атмосфере ураганов и торнадо. Поэтому для корректного описания  роли заряженных подсистем в формировании и последующей динамике спиральных ветровых потоков в мощном атмосферном вихре необходим анализ структурных характеристик электрической турбулентности в грозовой облачности. В работе на основе анализа структурных функций Sm(L) представлены результаты исследования возможности обобщенной масштабной инвариантности электрической турбулентности для экспериментальных данных по вертикальному профилю электрического поля Ez(z) в грозовой облачности на высотах z < 13 km. Рассмотрены инерционные интервалы электрической турбулентности, скейлинговые экспоненты, величины индекса Херста и куртозиса в них. В инерционных интервалах выявлены отклонения Sm(L) от степенного скейлинга. Показано, что для интервалов малых и средних масштабов приближенно выполняется обобщенная масштабная инвариантность электрической турбулентности. Наблюдаемые отклонения скейлинга структурных функций, от соответствующего обобщенной масштабной инвариантности, обьясняются наличием перемежаемости электрической турбулентности и когерентных электрических структур. Полученные результаты могут быть использованы для последующих оценок роли электрических подсистем в формировании самосогласованной, существенно неоднородной структуры ветровых потоков в ТЦ, при численном моделировании их нелинейной динамики с использованием схем параметризации, учитывающих электрические подсистемы вихрей, а также для выявления возможности воздействия на ТЦ. Кроме того, это представляет интерес для дальнейшего развития методик обработки данных дистанционного зондирования атмосферных вихрей, более полной и корректной физической интерпретации результатов обработки экспериментальных данных

На основе системы связанных нелинейных уравнений для средней скорости ветра и температуры поверхности океана в области тропического циклона (ТЦ), описывающих временную динамику мощного атмосферного вихря, проведен анализ сезонного хода крупномасштабного регионального циклогенеза (РКЦ) с возможностью вариаций скорости ветра в ТЦ. Численными расчетами показано, что соответствующим выбором параметров задачи и внешних источников возможно описать генерацию в активном сезоне заданного числа тайфунов с различающимися характеристиками вихрей и вариациями скорости ветра на квазистационарной стадии жизненного цикла ТЦ. Следовательно, на основе обобщения нелинейной малопараметрической модели можно исследовать особенности сезонного хода временной динамики РКЦ в период активного сезона, анализировать зависимость их характеристик от различных внешних факторов, например, от космической погоды, явления Эль-Ниньо, которые ранее рассматривались методами корреляционного анализа. Развиваемый подход с учетом экспериментальных данных по крупномасштабному тропическому циклогенезу позволит также разработать аналитическую модель сезонного хода

РКЦ в конкретном регионе, что представляет научный и практический интерес, в частности, для разработки современных методов прогноза крупномасштабных кризисных атмосферных явлений типа тайфунов, исследований особенностей их временной динамики в различных регионах. Например, в описанной нелинейной модели можно получить обьяснение наблюдаемых трендов интенсивности РКЦ. Развиваемый подход будет полезен при оценках влияния ТЦ на крупномасштабную циркуляцию атмосферы, в понимании механизмов реализации связей циклогенеза с различными внешними факторами поскольку обычно применяемые стандартные методы корреляционного анализа зачастую дают неоднозначные ответы.

Данные космических и наземных наблюдений свидетельствуют о наличии чётко выраженных асимметрий тайфуногенеза. Систематизированные данные демонстрируют важную роль электромагнитных явлений во многих атмосферных процессах (грозах, торнадо, тропических циклонах – тайфунах, ураганах). Многослойная заряженная облачная система часто представляет собой некоторую динамически равновесную структуру. В работе выполнены численные оценки действующих сил и механизмов в атмосферных плазмоподобных подсистемах и доказана необходимость учёта влияния электромагнитных сил на формирование, поддержание неоднородной структуры и характеристики их движения. Из проведенного анализа следует, что ключевые наблюдательные факты свидетельствуют о существенной роли электромагнитных явлений во многих атмосферных процессах. Многослойная заряженная облачная система представляет собой некоторый аналог динамически равновесной структуры, удерживаемой ионными и поляризационными силами. Оценки действующих сил и механизмов показывают, что для более полного описания процессов в ТЦ необходимо учитывать движение этих плазмоподобных подсистем.