ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА.  2018. T. 17, № 3. С. 5–17.  DOI 10.21455/GPB2018.3-1

УДК 532

НЕЛИНЕЙНЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ
И НЕУСТОЙЧИВОСТЬ АТМОСФЕРЫ

© 2018 г.   О.Г. Онищенко1, 2, О.А. Похотелов1, Н.М. Астафьева2

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Институт космических исследований РАН, г. Москва, Россия

Представлен обзор основных результатов исследования одного из типов атмосферных вихрей – пыльных дьяволов. Особое внимание уделено механизму генерации вихрей в неустойчиво-стратифицированной атмосфере. В приближении идеальной гидродинамики развивается новая нелинейная модель генерации конвективных движений и пыльных вихрей в неустойчиво стратифицированной атмосфере.
Используя нелинейные уравнения для внутренних гравитационных волн, в аксиально-симметричном приближении исследована модель генерации конвективных ячеек-плюмов. Показано, что в конвективно неустойчивой атмосфере с крупномасштабной затравочной завихренностью из плюмов аномально быстро формируются мелкомасштабные интенсивные вертикальные вихри. Исследована структура радиальной, вертикальной и тороидальной компонент скорости в таких вихрях. Изучена  структура вертикальной завихренности и тороидальной скорости в ограниченных по радиусу областях вихря
.

Ключевые слова: атмосфера, вихри, модели вихрей, нелинейные структуры, идеальная гидродинамика.

Литература

Онищенко О.Г., Похотелов О.А. Генерация зональных структур внутренними гравитационными волнами в земной атмосфере // Докл. РАН. 2012. Т. 445, № 1 С. 86–89.

Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М. Генерация крупномасштабных вихрей и зональных ветров в атмосферах планет  // Усп. физ. наук. 2008. Т. 178, № 6. С. 605–616.

Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М. Вихри внутренних гравитационных волн в атмосфере с зональным ветром // Современные проблемы зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 2. С. 187–191.

Онищенко О.Г., Похотелов O.А., Астафьева Н.М.  Конвективные ячейки внутренних гравитационных волн в земной атмосфере с зональным ветром //  Геофизические исследования. 2013. Т. 14, № 3. С. 5–9.

Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М.  Конвективные ячейки внутренних гравитационных волн в окрестности мезопаузы  //  Геофизические исследования.  2015. Т. 16, № 3.  С. 5–11.

Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Федун В. Конвективные ячейки внутренних гравитационных волн в земной атмосфере // Докл. РАН.  2014. Т. 454, № 1. С. 89–91.

Balme M., Greeley R. Dust devils on Earth and Mars // Rev. Geophys. 2006. V. 44. P. RG3003. DOI 10.1029/2005RG000188

Bluestein H.B., Weiss C.C., Pazmany A.L. Doppler radar observations of dust devils in Texas  // Mon. Weather Rev. 2004. V. 132.  P. 209– 224.

Dutton J.A. Dynamics of atmospheric motions. N.Y.: Dover Publ., 1986. 640 p.

Fritts  D.C., Alexander M.  Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere // Rev. Geophys. 2003. V. 41,  N 1. P. 1003–1065.  DOI 10.1029/2001RG000106

Jickells  T.D. Nutrient biogeochemistry of the coastal zone // Science. 1998. V. 281, N 5374.
P. 217–222.  DOI 10.1126/science.281.5374.217

Jickells T.D., An Z.S., Andersen K.K., Baker A.R., Bergametti G., Brooks N., Cao J.J., Boyd P.W., Duce R.A., Hunter K.A., Kawahata H., Kubilay N., laRoche J., Liss P.S., Mahowald N., Prospero J.M., Ridgwell A.J., Tegen I., Torres R. Global iron connections between desert dust, ocean biogeochemistry, and climate // Science. 2005.  V. 308, N 5718. P. 67–71. DOI 10.1126/science.1105959

Kurgansky M.V. A simple model of dry convective helical vortices (with applications to the atmospheric dust devil) // Dyn. Atmos. Oceans. 2005. V. 40. P. 151–162.

Kurgansky M.V., Lorenz R.D., Renno N.O., Takemi T., Gu Z., Wei W.  Dust devil steady-state structure from a fluid dynamics perspective // Space Sci. Rev.  2016. V. 203,  N 1–4. P. 209–244. DOI 10.1007/s11214-016-0281-0

Mahowald N., Ward D.S., Kloster S., Flanner M.G., Heald C.L., Heavens N.G., Hess P.G., Lamarque J.-F., Chuang P.Y. Aerosol impacts on climate and biogeochemistry // Ann. Rev. of Environ. and Res. 2011. V. 36. P. 45–74.

Mitchell  N.J., Howells V.S.C. Vertical velocities associated with gravity waves measured in the mesosphere and lower thermosphere with the EISCAT VLF radar // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 1367–1379. DOI 10.1007/s00585-998-1367-0

Oke A.M.C., Tapper N.J., Dunkerley D. Willy-willies in the Australian landscape: The role of key meteorological variables and surface conditions in defining frequency and spatial characteristics  // J. Arid. Environ. 2007. V.  71. P.  201–215.

Onishchenko O., Pokhotelov O., Fedun V. Convective cells of inertial gravity waves  in the Earth's atmosphere with finite temperature gradient // Ann. Geophys. 2013. V. 31. P. 459–462. DOI 10.5194/angeo-31-459-2013

Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Horton W. Dust devil dynamics in the internal vortex region  // Physica Scripta. 2015. V. 90. P. 068004. DOI 10.1088/0031-8949/90/6/068004

Onishchenko O.G., Horton W., Pokhotelov O.A., Stenflo L. Dust davil generation // Physica Scripta.  2014a. V. 89, N 7. P. 075606. DOI 10.1088/0031-8949/7/075606

Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Horton W., Smolyakov A.I., Kaladze T.D., Fedun V.N.  Rolls of the internal gravity waves in the Earth’s atmosphere // Ann. Geophys. 2014b. V. 32. P. 181–186. DOI 10.5194/angeo-32-181-2014

Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Horton W., Fedun V. Explosively growing vortices of unstably stratified atmosphere // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2016. V. 121. P. 7197–7214. DOI 10.1002/2016JD025961

Ramanathan V., Crutzen P.J., Kiehl J.T., Rosenfeld D. Atmosphere: Aerosols, climate, and the hydrological cycle // Science. 2001. V. 294. P. 2119–2124.

Rafkin S,. Jemmett-Smith B., Fenton L., Lorenz R., Takemi T., Ito J., Tyler D. Dust devil formation // Space Sci. Rev. 2016. V. 203, N 1–4. P. 183–207.

Renno N.O., Burkett M.L., Larkin M.P. A simple thermodynamical theory for dust devils  // J. Atmos. Sci. 1998. V. 55. P. 3244–3252.  DOI 10.1175/1520-469

Renno N.O., Nash A.A.,  Lunine J., Murphy J.  Martian and terrestrial dust devils: Test of a scaling theory using Pathfinder data // J. Geophys. Res. 2000. V. 105.  P. 1859–1865.

Renno N.O, incent J. Abreu V.J., Koch J., Smith P.H., Hartogensis O.K., Henk A. R. De Bruin H.A.R, Burose D., Delory G.T., Farrell W.M,. Watts C.J., Garatuza J., Parker M., Carswell A. MATADOR 2002: A pilot field experiment on convective plumes and dust devils  // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. P. E07001. DOI 10.1029/2003JE002219

Sinclair P.C. Some preliminary dust devil measurements // Mon. Weather Rev. 1964. V. 22, N 8.  P. 363–367.

Sinclair P.C. General characteristics of dust devils // J. Appl. Meteorol. 1969. V. 8. P. 32–45.

Sinclair  P.C. The lower structure of dust devils // J. Atmos. Sci. 1973. V. 30. P. 1599–1619. DOI 10.1175/1520-469

Tegen I., Lacis A.A., Fung I.  The influence on climate forcing of mineral aerosols from disturbed
soils // Nature.
 1996. V. 380. P. 419–422.

Yuan  L., Fritts D.C. Influence of a mean shear on the dynamical instability of an inertio-gravity wave // J. Atmosp. Sci.  2004. V. 46. P. 2562–2568.

Zhao Y.Z., Gu Z.L., Yu Y.Z., Ge Y., Li Y., Feng X. Mechanism and large eddy simulation of dust devils // Atmosphere–Ocean. 2004. V. 42, N 1. P. 61–84. DOI 10.3137/ao.420105

Сведения об авторах

ОНИЩЕНКО  Олег Григорьевич – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1; главный научный сотрудник, Институт космических исследований РАН. 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7 (499) 254-88-05.
E-mail: onish@ifz.ru 

ПОХОТЕЛОВ  Олег Александрович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-88-05.
E-mail: pokh@ifz.ru 

АСТАФЬЕВА Наталья Михайловна – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт  космических исследований РАН. 117997,  г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32. Тел.: +7 (495) 333-21-45. E-mail:  ast@iki.rssi.ru.

NONLINEAR GRAVITATIONAL WAVES
AND THE INSTABILITY OF THE ATMOSPHERE

O.G. Onishchenko1, 2, O.A. Pokhotelov1, N.M. Astafieva2 

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Abstract. A review of the main results of the study of dust devils with special attention to the mechanism of generation of vortices in an unstable stratified atmosphere is presented. A new nonlinear model of generation of convective motions and dust vortices in an unstable stratified atmosphere is developed in the approximation of ideal hydrodynamics. Using nonlinear equations for internal gravity waves, the model of generation of convective cell plumes is investigated in axially-symmetric approximation. It is shown that in a convectively unstable atmosphere with large-scale seed turbulence, small-scale intense vertical vortices are formed from the plumes extremely rapidly. The structure of radial, vertical and toroidal velocity components in such vortices is investigated. The structure of the vertical vorticity and the toroidal speed in the tight radius areas of the vortex is analysed.

Keywords: atmosphere, vortices, a model of vortices, nonlinear structure, ideal hydrodynamics.

About the authors

ONISHCHENKO Oleg G. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), chief researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences; chief researcher, Space Research Institute, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (499) 254-88-05. E-mail: onish@ifz.ru

POKHOTELOV Oleg A. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), professor, chief researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia.
Tel.: +7 (499) 254-88-05. E-mail:
pokh@ifz.ru

ASTAFIEVA Natalia M. – Dr. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Space Research Institute, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (495) 333-21-45.
E-mail: ast@iki.rssi.ru

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА    2018    Т. 17    № 3