Мониторинг и разработка методов моделирования среднеширотных геофизических полей

Цель исследований: разработка фундаментальных основ электродинамики нижней атмосферы средних широт, включая проведение натурных обсерваторских и полевых геофизических наблюдений, а также развитие методов многомасштабного моделирования взаимодействия геофизических полей средних широт. Планируется получение массива данных на основе дистанционного электромагнитного и акустического мониторинга среднеширотной атмосферы с наполнением обсерваторской базы данных, исследование метеорологической изменчивости фонового уровня природных ионизирующих излучений земного происхождения, исследование статистики концентраций атмосферных ионов и связи свойств атмосферных ионов с радиационным фоном, метеопараметрами и концентрацией аэрозоля, изучение связей режимов пограничного слоя с электрическим состоянием и конвективным генератором невозмущённой нижней атмосферы средних широт, выполнение численного моделирования электродинамических процессов с учётом свойств деятельного слоя суши, переноса излучения, аэрозольных частиц, облачности и турбулентности над земной поверхностью со сложной топографией с использованием данных спутникового зондирования на основе сопряжения мезомасштабной прогностической модели, вихреразрешающей модели и электродинамической модели нижней атмосферы, модели распределений радиоактивных элементов и ионизации в переходных режимах атмосферного пограничного слоя, выполнение оценки проникновения ионосферных возмущений в область нижней атмосферы с учётом высотного распределения и динамики электрической проводимости с подтверждением полученных результатов в публикациях и массивах данных, востребованных для диагностики среднеширотных геофизических полей, совершенствования прогностических моделей взаимодействия геосфер, электромагнитного окружения Земли и климатической системы. Интенсивное развитие в последние несколько лет нового поколения численных моделей динамики атмосферы с горизонтальным разрешением ~ 102–103 м, применяемых для краткосрочных прогнозов погоды и эволюции экстремальных метеорологических явлений, стимулировало развитие соответствующих подсеточных параметризаций процессов обмена в пограничном слое, получаемых с помощью анализа результатов моделирования турбулентной динамики вихрей из энергонесущего и части инерционного интервала с разрешением, достигающим нескольких метров. Инструменты вихреразрешающего моделирования зарекомендовали себя в ряде успешно решённых задач определения пространственных распределений статистических параметров турбулентности в зависимости от внешнего форсинга, стратификации турбулентного течения, геометрии и теплообменных характеристик обтекаемых границ, задач турбулентного переноса пассивного скаляра от источников, находящихся как внутри пограничных слоёв, так и в турбулентном следе. В этой связи следует отметить ряд задач, связанных с воздействием атмосферной турбулентности на конструкции и сооружения, включая объекты ветровой энергетики. Однако в задачах электродинамики атмосферы и взаимодействия геосфер, из которых наиболее актуальны проблемы связи тектонофизики и сейсмичности с атмосферно-ионосферными процессами, развитые методы практически не используются, что обусловлено наличием объективных трудностей при включении в рассмотрение неоднородных процессов ионизации среды высокоэнергичными частицами и квантами электромагнитного поля с учётом турбулентного переноса и дрейфа аэроионов в нестационарном неоднородном электрическом поле, сложной кинетикой взаимодействия аэроионов с аэрозольными частицами, также переносимых турбулентностью и имеющих распределенные источники и стоки в атмосфере и на земной поверхности. Разработка моделей земной поверхности и деятельного слоя суши совместно с количественными оценками метеорологической вариабельности фонового уровня природных ионизирующих излучений, включая гамма-излучение земного происхождения и высотных распределений радона, необходима для уменьшения неопределённости в оценке электрической проводимости, высотное распределение которой вблизи земной поверхности формирует структуру электродного слоя, играющего, в свою очередь, важную роль в механизме конвективного генератора пограничного слоя. Поскольку измерения компоненты атмосферного электрического тока, обусловленной турбулентным переносом объёмных зарядов, трудноосуществимы, для надёжной оценки ЭДС конвективного генератора требуется разработка методов моделирования электродного слоя вблизи земной поверхности с использованием вихреразрешающей модели и модели пристеночной турбулентности с обоснованным определением поверхностных турбулентных потоков явного и скрытого тепла и других важных параметров, например, таких как тензор напряжений Рейнольдса и масштаб Монина-Обухова. Поскольку характерная толщина электродного слоя может оказаться меньше размера фильтра вихреразрешающей модели, необходимо выполнить сравнение эйлеровых и лагранжевых методов моделирования подфильтровых турбулентных потоков электрического заряда с целью их верификации в этих условиях. Исследования статистики концентраций аэроионов, распределения аэроионов по подвижностям и взаимодействия аэроионов с аэрозольными частицами предоставляют необходимые данные для моделей инициации микрофизических процессов при формировании облаков и тумана, макроскопического разделения зарядов в облаках с развитой электрической структурой и грозовых ячейках, а также вариаций ионно-аэрозольного состава атмосферы в областях разломов земной коры и сейсмоактивных зонах. Экологическая направленность исследований электрического состояния пограничного слоя атмосферы связана с чувствительностью электрической проводимости воздуха и локального электрического поля атмосферы к концентрации аэрозольных частиц и интенсивности ионизирующих излучений, в частности, объёмной активности природного инертного радиоактивного газа радона, представленного тремя изотопами. Пополнение базы данных обсерватории уникальными результатами натурных геофизических и метеорологических наблюдений служит целям сохранения информации о состоянии окружающей среды и её изменениях. Задача исследования деформаций земной коры на всех масштабных уровнях актуальна для предотвращения разрушений в зонах проживания людей и сооружений сложных инженерных объектов. Тектонические деформации земной поверхности возникают в результате как медленно протекающих процессов криповых движений по разломам земной коры и пластической деформации осадочного чехла, так и «импульсных» процессов при сейсмических событиях, вызываемых землетрясениями, оползнями и обвалами. Наиболее полную информацию о деформационных процессах на поверхности земной коры можно получить непосредственными наблюдениями перемещений пунктов наблюдений геодезических реперов ГНСС сетей. К сожалению, такие регулярные сетевые наблюдения ведутся только последние 20 – 25 лет, что не позволяет напрямую экстраполировать эти результаты на будущее. Многие российские (Гзовский М.В., Гущенко О.И., Ребецкий Ю.Л., Юнга С.Л. и др.) и зарубежные учёные (McKenzie D.P, Michael A.J., Angelier J., Gerhart J.W. и др.) занимались проблемой реконструкции поля тектонических напряжений как с использованием тектонофизических данных о бороздах скольжения трещин и движениях активных разломов, так и сейсмологических данных о механизме очагов землетрясений. Информация, получаемая этими методами, имеет огромное значение для решения различных теоретических и практических задач геофизики, геологии, горного дела. Описание задач, предлагаемых к решению: Проведение среднеширотных натурных обсерваторских и полевых геофизических наблюдений, дистанционного электромагнитного и акустического зондирования атмосферы с наполнением обсерваторской базы данных, включающих синхронные разнесённые наблюдения атмосферного электрического поля, концентраций аэроионов, электрической проводимости, плотности атмосферного электрического тока, объёмной активности радона, спектра исходящего с земной поверхности гамма-излучения, концентрации аэрозольных частиц, границ нижней облачности, высотных профилей температуры и скорости ветра, турбулентных потоков тепла и импульса вблизи земной поверхности, метеорологических параметров, магнитного поля Земли. Развитие методов многомасштабного моделирования динамики пограничного слоя атмосферы над земной поверхностью со сложной топографией и неоднородной шероховатостью с использованием данных спутникового зондирования. Разработка методов сопряжения моделей оперативного прогноза погоды с вихреразрешающей моделью, реализованной на вложенных сетках, включающих методы генерации микрометеорологической турбулентности в области сопряжения внешнего и внутреннего расчётных доменов. Разработка методов моделирования электродного слоя вблизи земной поверхности с использованием вихреразрешающей модели и модели пристеночной турбулентности. Имплементация блоков деятельного слоя суши, переноса излучения, аэрозольных частиц и облачности в модели электричества пограничного слоя атмосферы. Оценка конвективного турбулентного генератора невозмущённых областей атмосферы средних широт в рамках различных подходов к расчёту турбулентного переноса электрического заряда в вихреразрешающей модели, включающих применение подфильтровых параметризаций и динамического замыкания турбулентных потоков пассивного скаляра, лагранжевых стохастических моделей, симуляции кинематически возможных подфильтровых полей скорости, построенных с использованием реалистичной статистики турбулентности. Анализ связей приземной турбулентной статистики с режимами турбулентности и стратификацией пограничного слоя атмосферы на основе результатов разнесённых наблюдений компонент тензора напряжений Рейнольдса с построением структурной функции и исследованием спектральных характеристик. Моделирование проникновения ионосферных возмущений в область нижней атмосферы с учётом высотного распределения и динамики электрической проводимости. Оценка метеорологической вариабельности фонового уровня природных ионизирующих излучений, включая гамма-излучение литосферных источников. Численные оценки эволюции высотных распределений радона и интенсивности ионообразования в переходных режимах атмосферного пограничного слоя. Оценки связи статистических параметров флуктуаций концентраций аэроионов и распределения аэроионов по подвижностям с интенсивностью ионообразования, эволюцией пограничного слоя и термодинамических переменных. Решение поставленных задач требуется для совершенствования моделей взаимодействия геосфер, электромагнитного окружения Земли и климатической системы. Исходными данными для исследования сейсмотектонических деформаций служат каталоги механизмов очагов землетрясений, дополненные литературными и собственными определениями. Результатом работы будут также обобщённые каталоги. Для исследований неоген-четверичных деформаций земной коры, связанных с разломной тектоникой, будет использована «База данных активных разломов Евразии» [Бачманов Д.М. и др. // Геодинамика и тектонофизика, 2017, т. 8. № 4. С. 711–736]. Сопоставление результатов будет проводиться с распределением современных деформаций земной коры для территории Горного Алтая, Саян и Казахской платформ по данным космогеодезических наблюдений [Мансуров А.Н. // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук, 2023, т. 10, № 1. С. 61–68; № 2. С. 53–58]. Алгоритмы сопоставления деформаций по GPS наблюдениям и сейсмологическим данным описан в [Петров В.А. и др. // Геофизические исследования, 2008, т. 9, № 3, С. 39–61; Петров В. А., и др. // Физика Земли. 2008, № 10, С. 101–112]. Для изучения возможностей реконструкций поля деформаций по разломной тектонике выбраны: восточная часть Казахской платформы, Российский, Монгольский и Гобийский Алтай, Саяны, Хангайские горы и Байкальская рифтовая зона. Алтае-Саянская складчатая зона характеризуется блоковым строением с различным напряжённо-деформационным состоянием, локальными (во времени и пространстве) проявлениями сеймичности с редкими сильными землетрясениями с афтершоковыми последовательностями (например, Алтайское землетрясение 2003.09.27 с М=6.8). Малое количество сейсмических событий не позволяет реконструировать поле тектонических напряжений только по механизмам очагов землетрясений, поэтому основное внимание будет уделено разломной тектонике. Байкальский регион сейсмически более активен, что позволяет изучить напряжённо-деформационное состояние по данным о механизмах очагов землетрясений. В 2008 году нами было проведено исследование структуры современного поля напряжений и мезо-кайнозойского цикла деформации Байкальской рифтовой зоны. За прошедший период был накоплен большой объём новой информации, позволяющий изучить возможные изменения в напряжённо-деформационном состоянии региона и сопоставить с разломной тектоникой. Появление данных по перемещениям пунктов наблюдений геодезических реперов ГНСС сетей поможет оценить вклады сейсмотектонических и криповых деформаций в общий тектонофизический процесс и их взаимосвязь. Методика сравнения деформаций земной коры по данным механизмов очагов землетрясений с GPS-наблюдениями была разработана и апробирована на данных Тибетского нагорья.