Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 4, стр. 403-410

1. ВВЕДЕНИЕ

Изменения температуры земной поверхности, вызванные солнечным затмением, вызывают изменения температуры приземного воздуха, которые распространяются в вышележащие слои атмосферы. Колебания температуры воздуха, в свою очередь, вызывают изменения плотности воздуха и атмосферного давления.

В настоящей работе впервые проведено сравнение результатов измерений пульсаций атмосферного давления на уровне земной поверхности и флуктуациями температуры воздуха в диапазоне высот от 0 до 600 метров. Измерения проводились на Кисловодской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН на центральной линии тени, для случая полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. Измерение профилей температуры осуществлялось с использованием микроволнового сканирующего температурного профилемера [2]. Следует отметить, что до затмения, во время затмения и после затмения погода была благоприятной для проведения измерений, а именно, наблюдалось полное отсутствие облачности, что бывает весьма редко во время подобных экспериментов [3–5]. Например, во время полного солнечного затмения в г. Тынде 31 июля 1981 г. погодные условия были более сложными: утро в день затмения было туманное и небо было покрыто сплошной облачностью. К 11 ч 50 мин местного времени туман заметно ослабел, а к 13 ч 10 мин небо местами прояснилось. Во время полной фазы затмения, в 13 ч 31 мин, солнечный диск был виден сквозь полупрозрачные облака, а к 14 ч. 00 мин небо значительно прояснилось и до конца наблюдений сохранялась переменная облачность (3–4 балла). Таким образом, на нагрев почвы в Тынде влияло не только солнечное затмение, но и поглощение солнечной радиации переменной облачностью, что сказывалось и на флуктуациях атмосферного давления. Подробно об этом в [6].

Ранее, в работе [7] на основе численной модели было показано, что вызванное солнечным затмением нестационарное охлаждение как озоносферы, так и тропосферы (где преобладает поглощение солнечной радиации водяным паром), является возможным источником внутренних гравитационных волн (ВГВ), распространение которых в атмосфере может вызвать заметные флуктуации атмосферного давления у поверхности земли. Результаты представленных в [7] численных расчетов колебаний атмосферного давления у поверхности земли, вызванные прохождением лунной тени при полном солнечном затмении 1 августа 2008 года, сравнивались с колебаниями давления, зарегистрированными сетью микробарографов и инфразвуковыми станциями Международной системы мониторинга. При этом, поскольку ожидаемые волны давления от затмения находились в диапазоне частот, который сильно “возмущен” колебаниями давления, вызванного атмосферными приливами и метеорологическими явлениями, то эти синоптические возмущения специальным образом удалялись из записей флуктуаций атмосферного давления, генерируемых непосредственно затмением. В [7] было сделано предположение, что преобладающим источником наблюдавшихся флуктуаций приземного давления является охлаждение тропосферы.

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы путем одновременных измерений флуктуаций приземного атмосферного давления и флуктуаций температуры на разных высотах нижнего слоя тропосферы оценить возможный вклад нестационарного охлаждения поверхности земли и нижнего слоя тропосферы высотой порядка 1 км в период полного солнечного затмения в возникновение флуктуаций атмосферного давления у земной поверхности.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Пульсации атмосферного давления, зарегистрированные во время солнечного затмения 29 марта 2006 года с 07 ч 53 мин по 20 ч 36 мин местного времени микробарографом, имеющем постоянную времени 350 с., а также данные метеостанции Кисловодской кардиологической клиники по температуре воздуха на уровне 5 метров от поверхности земли, показаны на рис. 1.

Рис. 1.

Изменения температуры воздуха во время солнечного затмения и сглаженные пульсации атмосферного давления 29.03.2006. Кисловодск.

Результаты изменений во времени температуры воздуха на высотах 0, 100, 300 и 600 м над земной поверхностью, полученные при помощи профилемера [2], показаны на рис. 2.

Рис. 2.

Зависимость температуры воздуха от времени для высот (0, 100, 300, 600) м.; Кисловодск. 29.03.2006.

На рис. 3 показаны колебания разности атмосферного давления на уровне земной поверхности и высоте h = 600 м, вычисленные с использованием данных измерений временных вариаций температуры воздуха на высотах 0, 100, 300, и 600 м. На этом же рис. 3 показаны аппроксимации этих колебаний полиномом второй степени.

Рис. 3.

Колебания перепада атмосферного давления в слое атмосферы высотой $h$ = 600 м, рассчитанные по временным изменениям температуры воздуха на высотах 0, 100, 300, 600 м, и их аппроксимация с помощью полинома второй степени. Кисловодск. 29.03.2006.

Разность атмосферных давлений ${{p}_{0}}(t) - p(h,t)$, на уровне земли и высоте h равна весу столба воздуха $\int_0^h {g\rho (z,t)dz} $ высотой $h$, который при $h$ $ \ll $ H , где $H(z,t)$ = ${{RT} \mathord{\left/ {\vphantom {{RT} g}} \right. \kern-0em} g}$ – высота однородной атмосферы, $T(z,t)$ – абсолютная температура, $R$ – газовая постоянная, отнесенная к молекулярной массе воздуха, g – ускорение свободного падения, можно приближенно представить в виде (см. формулу (3А) Приложения А):

Из (1) видно, что рассматриваемая разность давлений ${{p}_{0}}(t) - p(h,t)$ зависит как от медленных (по сравнению с периодом Брента-Вяйсяля, имеющем значения порядка 5 мин) вариаций во времени приземного давления ${{p}_{0}}(t)$, которые могут быть вызваны метеорологическими и крупномасштабными волновыми процессами в атмосфере, так и от временных изменений приземного профиля температуры $\int_0^h {dz\frac{g}{{RT(z,t)}}} $, усредненного по высоте слоя.

Для вычисления разности давлений (1) весь слой высотой h = 600 м, для которого измерялись профили температуры $T(z,t)$, разбивался на тонкие слои, по которым производилось суммирование в (1). При этом в (1) приземное давление представлялось в виде ${{p}_{0}}(t)$ = ${{\bar {p}}_{0}} + \Delta p(t)$, где ${{\bar {p}}_{0}}$ – среднее давление на поверхности земли за период измерений, а $\Delta p(t)$ – его малые флуктуации, $\left| {\Delta p} \right|{\text{/}}{{\bar {p}}_{0}} \ll 1$, что позволяло приближенно рассчитать вклад ${{\bar {p}}_{0}}\int_0^h {dz\frac{g}{{RT(z,t)}}} $ от временных изменений приземного профиля температуры в разность давлений (1). Полученные временные изменения разности давлений аппроксимировались полиномом, как показано на рис. 3.

Из полученных с помощью профилемера колебаний разности давлений (1) вычиталось их приближение полиномом второй степени для сравнения результатов измерений в период затмения температуры T(z,t), по данным профилемера и флуктуаций атмосферного давления p(z = = 0,t), измеренных микробарографом. Полученные таким образом значения вычисленных пульсаций атмосферного давления сравнивались с пульсациями атмосферного давления, зарегистрированных микробарографом в Кисловодске и отфильтрованных в диапазоне периодов (1.33–5.69) ч. Результаты сравнения показаны на рис. 4. На рис. 5 показаны пульсации атмосферного давления совместно с температурой воздуха на уровне 5 м от поверхности земли по данным метеостанции кисловодской кардиологической клиники.

Рис. 4.

Пульсации атмосферного давления вблизи поверхности земли, вычисленные по профилям температуры воздуха, и пульсации давления, измеренные микробарографом (29.03.2006. Кисловодск) и отфильтрованные в диапазоне периодов (1.33–5.69) ч.

Рис. 5.

Температура воздуха на высоте 5 м от поверхности земли по данным метеостанции кисловодской кардиологической клиники и пульсации атмосферного давления, восстановленные по профилям температуры воздуха измеренных температурным профилемером.

Видно, что медленные колебания давления, восстановленные по временным изменениям температурных профилей в течение всего интервала времени затмения (рис. 4, верхняя панель), хорошо повторяют колебания в диапазоне периодов (1.33–5.69) ч, полученные по данным микробарографа (рис. 4, нижняя панель), за исключением небольшой разницы во времени в достижении максимумов этих колебаний (порядка 15 мин). Это свидетельствует о том, что существенный вклад в эти колебания вносит нестационарное охлаждение поверхности земли и приземного слоя атмосферы в период затмения.

На рис. 5 видно отставание минимума давления от максимума температуры воздуха примерно на 15 мин. Такое отставание вызвано тем, что минимум температуры воздуха, вызванный охлаждением почвы в период солнечного затмения, постепенно, с течением времени, распространяется в вышележащие слои воздуха (см. рис. 2), а восстановленное приземное давление формируется соответствующим столбом воздуха высотой 600 м.

На рис. 6 показаны спектральные плотности пульсаций атмосферного давления, для интервалов времени 14 ч 00 м–18 ч 00 м 29 марта 2006 года, восстановленных по профилям температуры воздуха, измеренных профилемером и записанных микробарографом в Кисловодске, а также в Тынде 31.07.1981. на временном интервале 12–16 ч.

Рис. 6.

Верхняя панель – спектральная плотность пульсаций атмосферного давления, восстановленных по профилям температуры воздуха на временном интервале 14–18 ч, Кисловодск. 29.03.2006. Средняя панель – спектральная плотность пульсаций давления, зарегистрированных микробарографом на интервале времени 14–18 ч, имеющем постоянную времени 350 сек., Кисловодск. 29.03.2006. Нижняя панель – спектральная плотность пульсаций атмосферного давления, зарегистрированных микробарографом на интервале времени 12–16 ч, имеющем постоянную времени 1150 сек. во время затмения в г. Тында. 31.07.1981.

На рис. 7 приводятся спектральные плотности фоновых записей пульсаций атмосферного давления от 28.03.2006 на временном интервале 14–18 ч, а также, аналогичные значения, полученные 30.03.2006 на интервале времени 8–14 ч когда солнечного затмения уже не было. Для этих дней спектральные плотности пульсаций атмосферного давления сравниваются со спектральной плотностью пульсаций атмосферного давления, записанных 29.03.2006. во время солнечного затмения на интервале времени 14–18 ч.

Рис. 7.

1 – спектральная плотность пульсаций атмосферного давления записанных во время солнечного затмения 29.03.2006. на интервале времени 14–18 ч, 2 – аналогичные значения, полученные 28.03.2006 на интервале времени 14–18 ч ; 3 – 30.03.2006. на интервале времени 8–14 ч. На горизонтальной оси стрелкой отмечен период, соответствующий длительности солнечного затмения 2.33 ч.

Из рис. 7 видно, что в спектральной плотности пульсаций атмосферного давления, соответствующей интервалу времени проявления солнечного затмения, амплитуда максимума таких флуктуаций с периодом примерно равным длительности затмения (около 2.3 ч), намного больше соответствующих величин спектральных плотностей, полученных в дни фоновых измерений в отсутствии затмения для аналогичного интервала времени. Это говорит о существенном вкладе нестационарного охлаждения земли и нижнего слоя атмосферы в возникновение колебаний атмосферного давления с периодом 2, 3 ч на протяжении характерного интервала времени существования солнечного затмения, также имеющего значения порядка 2, 3 ч.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые показано, что сравнение колебаний атмосферного давления в диапазоне периодов 1.33–5.69 часа, измеренных в день затмения микробарографом, с колебаниями давления, восстановленными по измеренным профилям температуры воздуха, показывает определенное сходство этих колебаний во времени и сравнимость по величине их двойных амплитуд, 19 и 26 Па, соответственно. Такие амплитуды колебаний сравнимы также с размахом колебаний давления (около 30 Па) на периоде в 2 ч, наблюдавшихся при солнечном затмении 22 июля 1990 года на юго-востоке Великобритании [8]. Следует отметить, что максимум спектральной плотности пульсаций атмосферного давления, измеренных микробарографом в Кисловодске, наблюдается для периода 2.84 ч, а для профилемера- для периода 2.29 ч, что примерно соответствует длительности солнечного затмения – 2.328 ч. Это говорит о существенном вкладе нестационарного охлаждения земли и нижнего слоя атмосферы в течение характерного интервала времени затмения порядка 2.3 ч в возникновение колебаний приземного атмосферного давления с периодом, близким по величине к этому временному интервалу. Полученный здесь результат, по-видимому, впервые указывает на важность учета процесса охлаждения земли и нижнего слоя атмосферы при затмении, как источника возникновения колебаний в атмосфере, наряду с другими источниками этих колебаний, вызванных резкими изменениями при затмениях поглощения солнечной радиации в стратосфере (озоном) и тропосфере (водяной пар).

Был установлен максимум ~294 000 Па²/Гц в спектре пульсаций давления на периоде в 2.33 ч, полученном из записи микробарографа в период затмения. Для пульсаций атмосферного давления, вычисленных из данных профилемера, этот максимум составляет примерно 327 000 Па²/Гц, а для затмения, наблюдаемого нами ранее в Тынде максимум спектра приходится на период 3.556 часа и равен 256 000 Па²/Гц. Такие различия могут происходить от того, что пульсации давления на земле, измеряемые микробарографом, вызваны изменениями во времени веса всего атмосферного столба, тогда как измерения температурных профилей профилемером ограничены высотой 600 м и не учитывают вклада изменений со временем температурных профилей в слоях атмосферы, лежащих выше 600 м. Кроме того, на спектр пульсаций атмосферного давления при солнечном затмении 31.07.1981. в Тынде повлияла переменная облачность во время затмения.

Из сравнения измерений микробарографа и профилемера следует также, что существенный вклад в пульсации атмосферного давления на уровне земли вносят изменения температуры воздуха, вызванные солнечным затмением в нижнем слое атмосферы высотой порядка одного километра. Полученные данные являются уникальными в связи с исключительно благоприятными метеорологическими условиями во время полного солнечного затмения и наличием современных приборов в одной точке измерений.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 21-17-00021