Внутренние гравитационные волны

Сильное волновое возмущение температуры 13 января 2015 г. над Обнинском. Ниже 30 км - данные аэрологии (оранжевая линия), выше 30 км - данные лидарного зондирования.

Внẏтренние гравитациỏнные вỏлны (ВГВ) или инерцио́нно-гравитацио́нные во́лны (ИГВ) — одна из форм колебательных движений, которые существуют в атмосфере как упругой среде. Термин «гравитационные» в названии данного типа волн указывает на то, что сила тяжести является одним из факторов, определяющих существование ВГВ.

Механизм образования

Возникновение ВГВ происходит орографически, например, при обтекании горных массивов ветровыми потоками, при струйных течениях и т. д.. Подобные процессы генерируют широкий спектр волн. При распространении вверх амплитуды волн экспоненциально растут из-за уменьшения молекулярной плотности воздуха. Рост продолжается до тех пор, пока температурные вариации dT/dh, вызываемые ВГВ, не становятся больше адиабатического градиента температуры. Начиная с этого момента ВГВ усиливают турбулентную диффузию, которая предотвращает дальнейший рост амплитуды. При этом ВГВ разрушаются, отдавая избыток энергии «среднему» движению воздушного потока.

Характеристики

Определение параметров ВГВ, обычно, из данных лидарного зондирования проводится как визуально, так и с использованием методов статистического (как правило Wavelet-) анализа. Согласно проведенным исследованиям, фазовая скорость ВГВ лежит в интервале 0.02-0.71 м, причем наиболее часто встречающиеся значения составляют 0.1-0.3 м, вертикальная длина волны находится в интервале 3-20 км; а период колебаний составляет 5-27 ч.

Область применения

Для оценки интенсивности волновых возмущений используется высотный профиль плотности потенциальной энергии ВГВ, который, как правило, вычисляют используя температуру по данным лидарного зондирования. Некоторые глобальные климатические модели с высоким разрешением используют эти данные для определения источника волн, изучения распространения и диссипации волн, а также для учёта передачи энергии в верхнюю стратосферу и нижнюю мезосферу. Согласно, высотный профиль плотности потенциальной энергии ВГВ определяется по формуле:

$E_p\left(h\right)=0.5\left(\frac{g^2(h)}{N^2(h)}\right)\left(\frac{\overline{\mathrm{\Delta }{T}^2(h)}}{T_0(h)}\right)$

где h — высота над уровнем моря; g(h) — ускорение свободного падения; N(h) — частота Брента-Вяйсяля; $\overline{\mathrm{\Delta }{T}^2(h)}$ — среднеквадратичная величина температурных флуктуаций; T₀(h) — средний температурный профиль. Частота Брента-Вяйсяля определяется формулой:

$N^2(h)=\frac{g}{T_0}(\frac{\delta T_0}{\delta h}+\frac{g}{c_p})$

где с_p — теплоёмкость воздуха при постоянном давлении; производная dT₀/dh находится из лидарных измерений путём дифференцирования сплайна, описывающего гладкую часть спектра.