ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Турбулентность в атмосферах планет из "Турбулентность многокомпонентных сред " Турбулентность, по-видимому, присутствует и в нижележащих областях тропосферы, по крайней мере выше 15-20 км, где были обнаружены вертикальные пульсации скорости величиной до 0.2-0.3 м/с при парашютном спуске аппаратов Венера путем измерений вертикальной составляющей допплеровского сдвига частоты, пример которых приведен на Рис. 1.2.3. (Кержанович и Маров, 1983). [c.27] В свою очередь, у верхней границы облаков ( 60-65 км) устойчивость атмосферы повышается (параметр 96/ возрастает. Рис. 1.2.2), однако, помимо сдвиговых течений, наблюдаются также вихревые структуры различных пространственных и временных масштабов (Рис. 1.2.1), ассоциируемые с процессами глобальной циркуляции. Все сказанное свидетельствует о том, что турбулентность является важным элементом атмосферной динамики на Венере. [c.27] В то же время, на Уране и Нептуне, при более низкой эффективной температуре, верхние слои облаков состоят из метана, под которыми, вероятно, расположены облачные слои из аммиака и серосодержащих соединений. Интенсивное поглощение метаном красной части солнечного спектра объясняет характерный аквамариновый цвет этих планет. [c.32] Аналитические и численные исследования конвекции в быстро и равномерно вращающихся жидких сферах Буссе, 1970 1976 Гилман, 1977 1979) показали, что при наличии внутреннего источника тепла в такой вязкой теплопроводной жидкости возникает периодическая система конвективных ячеек (валиков), ориентированных параллельно оси вращения. Одновременно, за счет наклона ячеек, вызванного вращением, создается слабый вторичный поток, состоящий из дифференциально вращающихся коаксиальных цилиндров (оболочек), как это показано на Рис. 1.2.10. Подобные структуры, полученные также в экспериментах с баротропной жидкостью во вращающемся осесимметричном контейнере, ассоциируются с зонами и поясами в атмосферах Юпитера и Сатурна, расположенными на несколько отличных по высоте уровнях. [c.33] Механизм развития и поддержания планетарной циркуляции за счет передачи энергии вихрей ри в средние зональные течения исследовался также путем численного моделирования движений в тонких слоях жидкости на вращающейся планете Вильямс, 1978 1979). Такая баротропная модель позволила проследить эволюцию вихрей, имитирующих конвективные ячейки и первоначально распределенных в шахматном порядке, при наличии турбулентной вязкости, причем, как оказалось, усиление зонального потока происходит в этом случае за счет совпадения по знаку средних вихревых напряжений ри у с меридиональной компонентой средней скорости ди / ду (Рис. 1.2.11). [c.35] Положительная корреляция между ри и ди I ду ш Юпитере была подтверждена измерениями на космических аппаратах Вояджерчто привело к оценке вклада энергии диссипации вихревых движений в пределах облачного покрова в тепловую эмиссию планеты порядка 10% Ингерсолл и др, 1981 1984). Поскольку аналогичная оценка для Земли не превышает - 0.1% (при общем уровне диссипации всех форм кинетической энергии в тепло не более -1%), это свидетельствует о существенном различии термогидродинамических циклов для этих планет. [c.35] Помимо Юпитера и Сатурна, конвекция, действующая в качестве теплового механизма при передаче энергии из глубины, должна играть важную роль также в динамике атмосферы Нептуна, в отличие от Урана, у которого внутренний источник тепла отсутствует. Наиболее интересной особенностью, определяющей тепловой режим и динамику атмосферы Урана, является необычная ориентация оси вращения, лежащей почти в плоскости его орбиты. Однако, несмотря на большое различие в наклонениях и энергетике, у обеих планет наблюдаются качественно одинаковые меридиональные профили температуры и зонального ветра на уровне облаков, хотя на Уране ветер примерно вдвое слабее. Важно, кроме того, подчеркнуть, что на Нептуне, несмотря на то, что мощность его энергетических источников на единиц площади примерно в 20 раз меньше, чем в атмосфере Юпитера, скорость ветра почти в 2.5 раза выше, достигая 400 м/с на экваторе. [c.36] Развитие зональных течений из вихревых движений в тонкой атмосфере на вращающейся планете согласно численной модели Уильямса, 1978). В этой баротропной модели (при отсутствии изменений плотности в горизонтальном направлении) исходная ячеистая структура, обусловленная подводом снизу механической энергии (а), последовательно эволюционирует в зональные течения, на которые накладываются вихри различной конфигурации и размеров (b-f). Распределение скоростей зональных потоков показано на кривых справа. [c.36] Скорости течений на переферии превышают 100 м/с здесь наблюдается особенно сильная турбулизация потока и обмен частицами газа и облаков между вихрем и соседними зонами. Убедительного объяснения существования подобных стабильных структур в атмосферах Юпитера, Сатурна и Нептуна на фоне хаотической мелкомасштабной активности в виде относительно небольших облаков, появляющихся и исчезающих в течение нескольких часов, пока нет. На Юпитере обнаружены также области с нисходящими движениями и более высокой температурой, чем окружающие их облака (так называемые 5-микронные горячие пятна, см. Рис. 1.2.4), с которыми связаны определенные локальные изменения химического состава атмосферы. Интересно, что в одном из таких пятен произошел спуск на парашюте зонда космического аппарата Галилей чем объясняется, по-видимому, измеренное им крайне низкое содержание в атмосфере водяного пара, не характерное для всей планеты Махаффи и др., 1998 Карлсон и др., 1998). [c.39] Наблюдаемые долготно-широтные осцилляции пятен, включая БКП и БТП, напоминают движение верхней части вихря в стабильно стратифицированном сдвиговом потоке. Подобно упорядоченным зональным течениям, их естественно рассматривать с позиций формирования гидрологического цикла в стратифицированной газожидкой среде, с учетом ее химического состава, энергетики и выполнения критерия устойчивости. Понимание всей совокупности гидрометеорологических элементов такой системы, включая взаимосвязь конвективных движений в недрах и атмосферах планет-гигантов со спецификой планетарной циркуляции и турбулентных процессов, наблюдаемых на уровне облаков, при различных соотношениях внутренней и солнечной энергии, является одной из актуальных задач геофизической гидродинамики. [c.40] Вернуться к основной статье