Ученые разработали модели для расчета турбулентных потоков в устойчивом приграничном слое – самом близком к земле слое атмосферы. Этот результат важен для оценки распространения атмосферных загрязнений, а также для улучшения достоверности прогноза погоды и изменений климата. Статья опубликована в журнале Atmospheric Chemistry and Physics. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Адекватное описание турбулентного обмена в близком к земле слое атмосферы имеет большое значение при решении различных задач. Наиболее важная из них – проблема загрязнения воздуха. Статичные условия формируются практически каждую ночь над поверхностью суши, а также типичны для пространств, занятых водоемами с температурой поверхности более низкой, чем температура окружающего воздуха. В зимнее время года сильно устойчивая атмосфера наблюдается над покрытой льдом поверхностью Северного Ледовитого океана и в антициклонах над заснеженными континентами. Тем не менее процессы в устойчивом пограничном слое атмосферы остаются малоизученными. В частности, до сих пор не решена проблема адекватного описания турбулентного обмена в приземном слое при этих условиях.

В своей работе авторы воспользовались уравнением непрерывности и обширным банком данных специализированных наблюдений в приземном слое атмосферы. Ученые рассматривали потоки воздуха между двумя вихрями цилиндрической формы с устойчивым разделением – случай, характерный для атмосферных движений над поверхностью водоемов.

Исследователи дополнили эту информацию собственными моделями. Скорости при сильно устойчивых движениях совпадали с посчитанными прежде. Это удачное экспериментальное открытие дает универсальную оценку скорости рассеивания турбулентной энергии, работающую во всем диапазоне устойчивости – от нейтральных до сильно устойчивых пограничных слоев.

«В случае сильно устойчивых пограничных слоев встает вопрос о применимости теорий подобия, обычно используемых для описания турбулентного обмена в климатических моделях. Проблемы в условиях устойчивого приземного слоя обусловлены недостаточной изученностью и адекватным представлением источников турбулентности. Широко обсуждается само наличие этого явления в устойчивом приземном слое. Наша работа – новый шаг в моделировании турбулентных течений. Разработанный теоретический подход может быть использован для расчета динамики атмосферы в симуляциях погоды и климата, а также в задачах, использующих информацию о турбулентности в химии атмосферы, аэрозольных науках и физике облаков», – рассказывает Ирина Репина, доктор физико-математических наук, заведующая лаборатории взаимодействия атмосферы и океана Института физики атмосферы имени А. М. Обухова РАН.

В работе также приняли участие ученые из Финляндии (Финский метеорологический институт, Институт системных исследований атмосферы и земли) и Нижнего Новгорода (Университет Лобачевского, Институт прикладной физики).

Картинка: формирование приземной инверсии с повышенной концентрацией загрязняющих веществ при сильно устойчивых условиях в атмосфере: (а) Телецкое озеро, (б) Аляска, г. Фэрбанкс.
Источник: Ирина Репина