Чунчузов И.П., Куличков С.Н. Распространение инфразвуковых волн в анизотропной флуктуирующей атмосфере (2020). 260 с.

В монографии излагается теория распространения инфразвуковых волн (частоты ниже 20 Гц) в реальной атмосфере с присущими ей мезомасштабными флуктуациями скорости ветра и температуры с периодами от 1 мин до нескольких часов. С помощью теории объясняются наблюдаемые в экспериментах эффекты, которые оказывают мезомасштабные флуктуации на параметры инфразвуковых волн, распространяющихся в разных слоях атмосферы: атмосферном пограничном слое, стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. В настоящее время существует обширная литература, посвященная теоретическим и экспериментальным исследованиям распространения звука в атмосфере с турбулентными флуктуациями в инерционном интервале масштабов. которые описываются моделью локально однородной и изотропной турбулентности. Что касается статистических свойств мезомасштабных флуктуаций скорости ветра и температуры, вызванных внутренними гравитационными волнами и вихревыми структурами в атмосфере, и эффектов, которые эти флуктуации оказывают на распространение звука, то они стали интенсивно изучаться только в последние три-четыре десятилетия. Теоретические и экспериментальные результаты этих исследований мы попытались впервые обобщить и последовательно изложить в настоящей монографии. Существующие в настоящее время практические проблемы атмосферной акустики, возникшие вместе с развитием методов инфразвукового мониторинга испытаний ядерных взрывов и опасных для жизни природных явлений (извержения вулканов, цунами, ураганы, землетрясения, торнадо, падение метеоритов и др.), породили и теоретические проблемы. С этими проблемами мы сталкиваемся каждый раз. когда возникает необходимость в учете влияния структуры и динамики реальной атмосферы на процессы распространения звука. Стало ясно, что современные проблемы акустики и динамики атмосферы сильно «переплетены» между собой и требуют совместного решения. Накопленные в последние десятилетия экспериментальные данные наблюдений инфразвуковых сигналов от наземных взрывов и извержений вулканов указывают на существенное влияние на эти сигналы так называемой тонкой слоистой структуры атмосферы. Эта структура состоит из анизотропных неоднородностей температуры и скорости ветра с горизонтальными масштабами, значительно превышающими вертикальные. В инфразвуковом диапазоне частот длины волн оказываются сравнимыми с характерными вертикальными масштабами анизотропных неоднородностей. поэтому такие неоднородности существенно рассеивают инфразвук. Кроме этого, вызванные ими случайные флуктуации фаз и амплитуд инфразвуковых волн приводят на достаточно большом удалении от их источников к ошибкам в определении их местоположения и мощности. Эти ошибки необходимо учитывать при инфразвуковом мониторинге взрывов и других источников инфразвука. Очевидно, что для определения статистических характеристик флуктуаций параметров инфразвуковых сигналов (азимута и времени распространения амплитуды и длительности) необходимо знание статистических характеристик самих анизотропных флуктуаций: их пространственно-временных спектров, корреляционных и структурных функции. Однако сама природа возникновения и статистические свойства анизотропных флуктуации оказались весьма слабо изученными к настоящему времени по сравнению со статистическими характеристиками локально однородной и изотропной турбулентности. Необходимость ликвидировать существующий пробел в этой оо- ласти побудила авторов данной книги обратиться вначале к теоретическим и экспериментальным исследованиям статистических характеристик анизотропной турбулентности устойчиво стратифицированной атмосферы, а затем, с помощью модели такой турбулентности, учесть ее влияние на распространение инфразвука в атмосфере. Некоторые новые результаты этих исследований были получены сравнительно недавно. Авторы решили изложить их в рамках данной монографии с единой точки зрения, что, на наш взгляд, могло бы помочь существенно продвинуться в решении проблемы распространения инфразвуковых волн в реальной флуктуирующей атмосфере. Изложению волновой теории распространения низкочастотных акустических волн в атмосфере как в движущейся плоскослоистой среде, где отсутствуют анизотропные флуктуации, посвящены главы 1 и 2 монографии. И дальнейшем (глава 5) эта приближенная модель атмосферы сравнивается с ее более реалистичной моделью, учитывающей постоянное присутствие анизотропных флуктуаций во всей толще атмосферы, начиная от атмосферного пограничного слоя (АПС) и до высот нижней термосферы (100-140 км). Глава 3 посвящена описанию первых экспериментов, в которых был обнаружен эффект рассеяния инфразвуковых сигналов на тонкой слоистой структуре скорости ветра и температуры в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере Этот эффект изменил наши представления о распределении зон акустической тени и слышимости вдоль поверхности земли, бытовавшие с начала прошлого века, когда строение атмосферы стало интенсивно изучался с помощью ее зондирования инфразвуковыми импульсами, генерируемыми взрывами. На основе эффекта рассеяния инфразвуковых волн в области акустической тени авторами был разработан новый метод зондирования атмосферы с использованием мощных импульсных источников звука (наземных взрывов, вулканов, детонационных генераторов). Восстановленные с помощью этого метода мгновенные вертикальные профили скорости ветра в стратосфере и нижней термосфере (до высоты 140 км) позволили получить недавно новые данные о временной изменчивости, вертикальных спектрах и когерентности анизотропных флуктуаций скорости ветра на высотах верхней стратосферы (30-50 км) и нижней термосферы (90-140 км) (глава 6). Такие данные чрезвычайно необходимы для уточнения современных моделей общей циркуляции атмосферы и переноса примесей. Теоретическая модель формирования тонкой слоистой структуры в устойчиво стратифицированной атмосфере, учитывающая нерезонансные взаимодействия между внутренними волнами, между волнами и горизонтальными вихревыми движениями, обсуждается в главе 4. Эта теория позволила впервые получить, исходя непосредственно из уравнений гидродинамики, трехмерный пространственный спектр анизотропных флуктуаций скорости ветра и температуры, вызванных ансамблем внутренних волн и горизонтальных вихревых движений. С помощью этого спектра в главе 5 удалось параметризовать статистические характеристики флуктуаций параметров инфразвуковых сигналов (частотного спектра поля рассеянного сиг нала, его когерентности. времени распространения и углов прихода). Адекватность изложенной в книге теории формирования анизотропных флуктуаций в атмосфере подтверждается согласием полученных из нее модельных вертикальных и горизонтальных спектров флуктуаций с наблюдаемыми спектрами в верхней тропосфере и стратосфере, получаемыми из данных радарных и самолетных измерений. Следует отметить, что формы трехмерных пространственных спектров мезомасштабных пульсаций температуры и скорости ветра в устойчиво стратифицированных слоях атмосферы уже получили применение как в задачах прогнозирования статистических характеристик флуктуаций параметров инфразвуковых волн, так и флуктуаций интенсивности света в задачах оптического зондирования атмосферы. Теоретические и экспериментальные результаты, приводимые в книге, с одной стороны, важны для развития теории мезомасштабной турбулентности атмосферы, которая к настоящему времени оказалась весьма слабо развитой по сравнению с теорией локально однородной и изотропной турбулентности. С другой стороны, авторы надеются, что эти результаты получат практическое применение при решении проблемы инфразвукового мониторинга взрывов и опасных природных явлений, для усовершенствования моделей дальнего распространения звука и света в атмосфере и параметризации влияния внутренних волн на общую циркуляцию атмосферы. Книга может быть полезна для специалистов в области акустики и оптики атмосферы, дистанционного зондирования атмосферы, динамики внутренних волн, нелинейной акустики, инфразвукового мониторинга взрывов и атмосферных штормовых явлений.