Численное моделирование cолитонного разрушения внутренних гравитационных волн в верхней атмосфере

Внутренние гравитационные волны (ВГВ) в атмосфере могут разрушаться, образуя вторичные волны более мелких масштабов, вплоть до образования волновой турбулентности. Экспериментально проследить процесс разрушения волн в деталях затруднительно, поскольку волны обычно распространяются на большие расстояния. Масштабы образующихся вторичных волн могут отличаться от масштаба первичной волны на порядки. Для проверки численных исследований распространения и разрушения волн полезно иметь аналитические оценки для условий разрушения, времени разрушения, масштабов образующихся вторичных волн. Сочетание аналитического и численного подходов позволяет лучше изучить процесс распространения и разрушения волн, в деталях.

     Выполнено прямое численное решение гидродинамических уравнений для атмосферного газа с применением модели высокого разрешения.   Сравнение результатов этих численных расчетов с результатами анализа выведенного уравнения КДВ-Бюргерса для атмосферных слоев показало достаточно хорошее соответствие. Предпочтительные высоты, вблизи которых ВГВ могут разрушаться, примерно соответствуют высотам изменения знака горизонтальной скорости в волне. Параметры мелкомасштабных уединенных вторичных волн-солитонов, образующихся в расчетах по полным гидродинамическим уравнениям, хорошо согласуются с оценками, основанными на анализе уравнения КдВ-Бюргерса. Последнее уравнение не описывает распространение вторичных волн с течением времени в другие атмосферные слои, а также колебания, наклоны и деформацию слоистой структуры, создаваемых первичной волной, в силу приближений, использованных при выводе уравнения КДВ-Бюргерса.

     Длинные ВГВ имеют слоистую структуру: возмущения температуры, плотности, а также горизонтальная скорость чередуют знаки с высотой. Показано, что разрушение волн проявляет себя внутри слоев, создаваемых первичными волнами. В слоях появляются мелкомасштабные уединенные вторичные волны. При этом каждая из образующихся вторичных волн проявляет себя в нескольких слоях. Слоистая структура длинной ВГВ долго сохраняется, несмотря на образование вторичных волн, но слои могут волнообразно колебаться, изменять толщину и наклоняться. Выполнены расчеты разрушения волн, основанные на численном решении полных гидродинамических уравнений для атмосферного газа. Сравнение результатов этих численных расчетов с результатами анализа системы гидродинамических уравнений на основе выведенного для слоев уравнения КДВ-Бюрегса показало, что модельное уравнение в целом правильно описывает динамику волн. Параметры мелкомасштабных уединенных вторичных волн, образующихся в расчетах с полными гидродинамическими уравнениями, хорошо согласуются с оценками, основанными на анализе уравнения КДВ-Бюргерса.