Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021г. были проведены непрерывные измерения мезомасштабных (периоды от 1 мин до суток) флуктуаций атмосферного давления с помощью разнесенных в пространстве микробарографов в Московском регионе одновременно с измерениями флуктуаций скорости ветра на разных высотах атмосферного пограничного слоя с помощью содаров и акустических анемометров, расположенных в разных точках. Были получены новые результаты по характеристикам инфразвука-предвестника перед приходом на измерительную сеть метеорологического фронта и по регистрации акустико-гравитационных волн, связанных с солнечным терминатором (СТ)-движущейся относительно земли границей света и тени от солнца. Для обнаружения акустико-гравитационных волн от СТ использовались две измерительные сети с разными длинами сторон между точками измерений: большая треугольная сеть с длинами сторон порядка 2000 км, состоящая из инфразвуковых станций IS26 (Германия), IS37(Норвегия), IS43 (Россия) и малая сеть микробарографов, установленных в Москве (ИФА, МГУ, МОСРЕНТГЕН) и Звенигороде (ЗНС), вместе с треугольной сетью содаров МГУ-ЗНС-ИФА c расстояниями между ними от 7 до 60 км. 1. Обнаружен резкий скачок фазовой скорости волновых возмущений при переходе от частот, характерных для внутренних волн (ниже частоты Брента-Вяйсяля N), к частотам инфразвуковых волн (значительно выше N). Этот скачок объясняется переходом от одной дисперсионной ветви акустико-гравитационных волн, внутренних гравитационных волн (ВГВ), к акустической дисперсионной ветви. 2. Изучены зависимости изменения фазовой скорости от времени при приближении к измерительной сети теплого и холодного фронтов, имеющих разные наклоны к поверхности земли. 3. Установлено, что чем больше амплитуда скачка давления, вызванного метеорологическим фронтом в момент его прохождения через пункт измерения, тем больше и амплитуда его волнового предвестника, примерно за 3-4 часа до прихода скачка давления. 4. Впервые обнаружено влияние ВГВ-предвестников атмосферных штормов не только на вариации атмосферного давления и скорости ветра, но и на вариации примесей (NO, NO2, PM10),.Примеси начинают “ощущать” приближение атмосферных штормов задолго до их прохождения через сеть наблюдения. Изученные закономерности 1-4 изменения с течением времени характеристик волновых предвестников атмосферных штормов, обнаруживаемых одновременно в поле атмосферного давления, скорости ветра и концентраций примесей, создают возможности для усовершенствования краткосрочного прогнозирования атмосферных штормов за 3-10 ч до их прихода на сеть наблюдения. 5. Впервые разработана теоретическая модель генерации инфразвука метеорологическими фронтами [Chunchuzov I. P., S. N. Kulichkov, O. E. Popov, and V. G. Perepelkin, Infrasound Generation by Meteorological Fronts and Its Propagation in the Atmosphere. Journal of the Atmospheric Sciences, 2021, V.78, P.1673-1686]. В этой модели генерация инфразвука возникает при обтекании турбулентным потоком воздуха геометрических неровностей поверхности метеорологического фронта. 6. Впервые обнаружены сигналы акустико-гравитационных волн в тропосфере, которые связаны с движением тепловых источников этих волн на границе света и тени от солнца- солнечного терминатора (СТ). 7. В периоды восходов солнца с помощью содара регулярно наблюдались колебания высоты приподнятого инверсионного слоя с амплитудами в десятки метров и периодами порядка 1 ч, характерными для ВГВ. Одновременно, наблюдалось усиление временных вариаций среднего квадрата вертикальной скорости и вертикальных турбулентных потоков тепла и момента. Эти эффекты объяснялись возникновением в период восхода солнца нестационарной конвекции в приземном слое атмосферы, под слоем инверсии, которая проникает в более высокие устойчиво-стратифицированные слои АПС и генерирует в них ВГВ, вызывающие периодические смещения инверсионного слоя. 8. Были получены теоретические оценки амплитуд вертикальных скоростей и давлений (2-3 Па) во внутренних волнах в тропосфере, генерируемых движущимися неоднородностями температуры с масштабами 10-100 км в переходной области СТ. Они дают величины, сравнимые по порядку величины с наблюдаемыми амплитудами ВГВ в периоды восходов солнца, что подтверждает эффективность механизма генерации ВГВ движущимся СТ. 9. С помощью созданного измерительного комплекса получены непрерывные ряды экспериментальных данных о временных вариациях микрофизических параметров (счетная концентрация, дисперсный состав) аэрозольных частиц размером до 10 мкм одновременно с непрерывными рядами вариаций скорости ветра и атмосферного давления. 10. Выполнен статистический и корреляционный анализ полученных временных вариаций состава атмосферы за 2021г. Концентрация озона в черте г. Москвы демонстрирует максимум в весенне-летний период. Такое повышение концентрации вызывается совместным действием двух процессов, наиболее интенсивных в этот период: фотохимической генерации и адвективного переноса озона из стратосферы.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Впервые удалось обнаружить сигналы акустико-гравитационных волн от солнечного терминатора, имеющих высокую когерентность, сохраняющуюся до расстояний в несколько тысяч км. Доминирующие азимуты распространения этих волн (110-120 град) и фазовые скорости (165-305 м/c,) близки к скоростям движущегося относительно поверхности земли солнечного терминатора. Установлено, что основные периоды этих волн в частотных спектрах и когерентностях флуктуаций давления, кратны периоду вращения Земли, как и прогнозируется моделью генерации волн солнечного терминатора. 2. Исследованы закономерности изменения с течением времени когерентности, азимутов и скорости распространения сигналов давления и скорости ветра, вызванных прохождением грозового фронта и его волновых предвестников 10 июля 2022 через сеть микробарографов и содаров в Московском регионе. Предвестники грозового фронта в виде внутренних гравитационных волн были обнаружены одновременно в вариациях поля давления, температуры, скорости ветра, в вариациях интенсивности турбулентности и эхо-сигнала содара. Наблюдался эффект резкой смены азимутов приходов сигнала после прохождения грозового фронта через измерительную сеть. 3. На сети низкочастотных микробарографов в Московской области и на инфразвуковой станции IS43 в Дубне были зарегистрированы сигналы акустико-гравитационных волн от извержения подводного вулкана Тонга в Тихом океане (15.01.2022 в 04:15: UTC) и идентифицирована мода Лэмба этих волн. Благодаря корреляционному анализу сигналов в разных точках было обнаружено шесть приходов сигналов от вулкана, совершивших до двух оборотов вокруг Земли. По параметрам волны Лэмба впервые удалось оценить энергию извержения вулкана в атмосферу и объяснить эволюцию формы сигналов с ростом расстояния от вулкана. Эта энергия оказалась на порядок больше, чем ее значение в 18 MT TNT, первоначально оцененное сразу после извержения вулкана. Сравнение параметров (амплитуды и длительности) волны Лэмба от вулкана и от самой мощной ядерной бомбы в 58 Мт ТНТ подтвердило наш вывод о том, что энергия, высвобожденная в атмосферу при извержении вулкана, превысила 58 Мт ТНТ. 4. Было установлено, что ВГВ модулируют во времени вертикальные турбулентные потоки импульса в атмосферном пограничном слое (АПС), полученные по данным измерений компонент скорости ветра акустическим анемометром на ЗНС на высоте 56 м. 5. Разработана модель влияния мезомасштабных флуктуаций скорости ветра на концентрации примесей в устойчиво-стратифицированной атмосфере (периоды от 1 мин до нескольких часов) на базе разработанной ранее нелинейной модели спектра внутренних волн в атмосфере. Модель учитывает эффект адвекции частиц пассивной примеси, индуцируемой внутренними гравитационными волнами от разных источников в атмосфере, Показано, что адвекция частиц среды, вызванная суммарным полем внутренних волн и горизонтальных вихревых движений, формирует сильно-анизотропный пространственный трехмерный спектр вертикальных смещений частиц среды, их скоростей и вариаций концентрации примесей. Его анизотропия в устойчиво-стратифицированной среде формируется вследствие нелинейного переноса волновой энергии от источников волн и горизонтальных вихревых движений в сторону более малых вертикальных масштабов и более длинных горизонтальных масштабов, чем те масштабы, что присущи самим источникам волн и вихрей. Благодаря такому переносу энергии формируется тонкая слоистая структура поля скорости ветра, температуры и концентраций примесей. Для нижней стратосферы, теоретический вертикальный спектр скорости ветра и концентраций пассивных примесей спадает по закону -3 в диапазоне вертикальных масштабов, примерно от 3 км до 10 м. 6. Для горизонтальных спектров флуктуаций скорости ветра, вертикальных смещений и концентраций пассивных примесей, разработанная нами модель предсказывает переход от спада -5/3 этого спектра при уменьшении горизонтальных масштабов флуктуаций от 500 км до примерно 10 км, к более крутому спаду, близкому к -3, при дальнейшем уменьшении масштабов вплоть до 400 м. Наличие такого участка спектра с крутым спадом согласуется с ранними результатами самолетных измерений в устойчиво-стратифицированных слоях тропосферы и нижней стратосферы. 7. Исследованы сезонные и суточные вариации характеристик устойчивой атмосферной стратификации. Отмечена существенная роль инверсий температуры в накоплении газовых примесей в приземном слое, а, следовательно, в ухудшении качества воздуха в условиях города.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Разработана модель влияния мезомасштабных флуктуаций скорости ветра на вариации концентраций примесей и пространственные (вертикальные и горизонтальные) спектры этих вариаций. Важный результат сравнения модельных и наблюдаемых спектров состоит в обнаружении крутого спектрального участка с наклоном близким к -3 в экспериментальных спектрах флуктуаций скорости ветра и концентраций газов NO и NO2, что подтвердило существование в устойчиво-стратифицированной среде подобласти плавучести, переходящей при уменьшении масштабов в инерционный диапазон масштабов турбулентности со спектром -5/3 Колмогорова-Обухова. 2. Разработана модель генерации инфразвуковых сигналов метеорологическими фронтами. Получена аналитическая связь между временными вариациями скорости ветра, натекающего на фронт, и полем инфразвуковых волн. 3. Исследовано влияние внутренних гравитационных волн (ВГВ) на амплитуды и фазовые скорости инфразвуковых сигналов от метеорологических фронтов в процессе их приближения к сети наблюдения и удаления от нее. Обнаружено различие во временных зависимостях фазовой скорости инфразвуковых волн от холодного и теплого фронтов, связанное с различием в их наклонах к поверхности земли. 4. С помощью разработанной модели генерации инфразвуковых сигналов метеорологическими фронтами дано объяснение наблюдаемым эффектам влияния ВГВ на параметры инфразвуковых волн и на частотный спектр флуктуаций атмосферного давления. Изученные закономерности в изменении амплитуды сигнала и его фазовой скорости по мере приближения фронта к приемной системе позволяют идентифицировать инфразвуковой предвестник фронта за несколько часов до прохождения приземной части фронта через приемную систему и осуществлять его мониторинг. 5. Проведено исследование влияния стратификации и вертикальных флуктуаций скорости ветра и температуры в стратосфере на формы и длительности сигналов давления от взрывов и извержений вулканов, включая взрыв в Бейруте и извержение вулкана Тонга. Впервые дано объяснение эволюции формы сигнала от вулкана Тонга с ростом расстояния от него. 6. Обнаружено влияние волны Лэмба от вулкана Тонга на вариации газовых примесей в атмосферном пограничном слое в московском регионе. 7. Исследовано влияние внутренних гравитационных волн на временные вариации характеристик турбулентного обмена (кинетической энергии турбулентности и турбулентных потоков импульса и тепла) и высоты слоя перемешивания в атмосферном пограничном слое (АПС) по данным измерений содаров, температурного профилемера и акустических анемометров. 8. Проведен анализ данных измерений параметров инфразвуковых волн (азимутов прихода, частотных спектров и пространственной когерентности) в диапазоне 0.1 - 20 Гц (микробаром и “голоса моря”) с помощью антенны из трех приемников, расположенных на побережье Черного Моря вблизи г. Cухуми. Определена область штормового волнения на море, являющаяся возможным источником регистрируемых инфразвуковых сигналов. 9. Изучено влияние мезомасштабных динамических процессов на концентрации примесей в Московском регионе, включая периоды прохождения атмосферных фронтов. Применение корреляционного анализа к флуктуациям скорости ветра, давления и концентраций газов, полученных из данных расположенных в разных пунктах содаров, микробарографов и станций Мосэкомониторинга, позволили отфильтровать на фоне наблюдаемых флуктуаций внутренние гравитационные волны с периодами от 1 ч до 4 ч и с горизонтальными фазовыми скоростями от 2 до 10 м/c. Установлено, что в суточных вариациях СH4, СО2 и СО в летние месяцы отмечается небольшой рост концентраций в ночное время, что связано с накоплением примесей в инверсионном слое в условиях низкого вертикального турбулентного обмена с более высокими слоями воздуха. 10. Проведен анализ сезонных и мезомасштабных вариаций концентрации различных размерных фракций приземного аэрозоля в диапазоне диаметров частиц 0.3-10 мкм. Исследованы корреляционные связи между вариациями концентрацией аэрозольных частиц различных размерных фракций и вариациями атмосферного давления и скорости ветра по данным наблюдений в Москве и на ЗНС ИФА РАН.