Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований в области мезопаузы 11
1.1. Исследование внутренних гравитационных волн в области мезопаузы 13
1.2. Солнечные термические приливы в области мезопаузы .19
1.3. Излучение гидроксила (ОН) и молекулярного кислорода (О2).. 22
1.4. Заключение по главе 1. 35
ГЛАВА 2. Комплекс оптических приборов 36
2.1. Инфракрасная цифровая камера всего неба .37
2.2. Цифровой инфракрасный спектрограф на базе СП-50 41
2.3. Автоматический инфракрасный спектрограф Shamrock .49
2.4. Создание меридиональной оптической сети станций 56
2.5. Заключение по главе 2 60
ГЛАВА 3. Исследование характеристик внутренних гравитационных волн 61
3.1. Методика обработки и анализа данных камеры всего неба 61
3.2. Результаты статистического анализа параметров внутренних гравитационных волн .66
3.3. Заключение по 3 главе 69
ГЛАВА 4. Исследование полусуточных термических приливов 70
4.1. Методика обработки данных и определение вращательной температуры .71
4.2. Исследование параметров распространения полусуточного термического прилива 77
4.3. Заключение по главе 4 81
Заключение .82
Список использованной литературы
- Солнечные термические приливы в области мезопаузы
- Излучение гидроксила (ОН) и молекулярного кислорода (О2)..
- Создание меридиональной оптической сети станций
- Исследование параметров распространения полусуточного термического прилива
Введение к работе
Актуальность темы.
Волновые процессы различного масштаба – от гравитационных до планетарных, доходящие до верхней атмосферы перенося энергию и импульс, играют существенную роль в термодинамическом равновесии всей атмосферы, тем самым и в формировании климата. С другой стороны, особенности глобальной атмосферной циркуляции, связанные с неравномерностью подстилающей поверхности (орография, граница океан-суша), приводит к неоднозначным условиям их распространения вверх в различных географических зонах. Также, благодаря возрастанию амплитуды этих волн по мере их проникновения на большие высоты становится возможным их обнаружение в верхних слоях атмосферы, что имеет огромное диагностическое значение. Поэтому экспериментальное исследование физики волновых процессов в этой области атмосферы с широким пространственным охватом является одной из актуальных задач современной аэрономии.
Как известно, генерация этих внутренних гравитационных волн (ВГВ) в основном происходит в тропосфере или на ее границе во время активных метеорологических процессов. Они являются переносчиками энергии, импульса из нижней атмосферы в мезосферу и термосферу. На высоте мезопаузы волны подвергаются спектральной фильтрации из-за ветрового сдвига и поглощаются, отдавая энергию и импульс окружающей среде и вызывая ее избыточное разогревание. Все эти обстоятельства влияют на динамику и состав нейтральной и ионизованной атмосферы. Поэтому детальное наблюдение за ВГВ и в особенности за их амплитудами и направлениями распространения является весьма важной задачей. На высоте мезосферы и нижней термосферы волновая активность исследуется разными способами: радарами, лидарами, спутниковыми измерениями и оптическими наблюдениями. Среди них наиболее информативным и дешевым методом исследования горизонтальных параметров ВГВ является визуализация волновых структур в эмиссиях свечения ночного неба камерами всего неба.
С другой стороны влияние волновых процессов можно регистрировать по вариациям температуры в области мезопаузы. Общепринято, что температура является фундаментальным параметром, который обеспечивает прямую информацию о структуре атмосферы. Простым и надежным способом исследования термического состояния области мезопаузы является измерение эмиссии молекулярных полос ночного неба, а именно гидроксила и кислорода, которые высвечиваются на высотах 87 и 95 км соответственно. В настоящее время появились многочисленные работы, в которых по излучению полос свечения ночного неба исследуются суточные, полусуточные и треть-суточные компоненты атмосферного прилива.
В данной работе исследуются параметры ВГВ и полусуточного термического прилива в области высокоширотной мезопаузы.
Цели работы.
Целью работы является экспериментальное исследование особенностей и характеристик распространения ВГВ, полусуточного прилива и температуры в области высокоширотной мезопаузы.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач: Создание автоматизированного программно-аппаратурного комплекса для фотографических и спектрографических наблюдений волновых процессов в области мезопаузы. На основе большого экспериментального материала получить статистически значимые характеристики ВГВ и полусуточного термического прилива в области мезопаузы на высоких широтах.
Научная новизна работы.
-
Впервые в России создан высокоширотный оптический комплекс для синхронной, автоматической регистрации спектров молекул гидроксила и кислорода, состоящий из одинаковых спектрографов и камеры всего неба.
-
Накоплена уникальная база данных спектрофотографических измерений характеристик излучения гидроксила и молекулярного кислорода на высокоширотной станции Маймага, за период 1999-2015 годы.
-
Впервые на длительном, непрерывном ряде данных исследованы параметры внутренних гравитационных волн и полусуточного термического прилива в области мезопаузы над Якутией.
Методы исследования.
В качестве основных методов исследований в работе используются экспериментальные методы: визуализация волн по эмиссии молекулы гидроксила и одновременное измерение вращательных температур по молекулам гидроксила и кислорода на двух разнесенных по высоте слоях атмосферы, методы статистического анализа экспериментальных данных для выявления закономерностей, ВГВ и приливных волн.
Достоверность и обоснованность полученных результатов.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием большого массива экспериментального материала, сопоставлением с результатами других исследователей, применением апробированных методов экспериментальных исследований и математических и статистических методик обработки результатов. На работы и результаты автора имеются ссылки отечественных и зарубежных исследователей.
Научная и практическая ценность работы.
Практически создана меридиональная сеть станций на основе инфракрасных спектрографов и камер всего неба для измерения температуры мезопаузы и регистрации волновых структур, работающих в автономном режиме. Созданная сеть и накопленная база данных могут быть использованы для планирования проведения дальнейших исследований высокоширотной мезопаузы. Обнаруженные новые характеристики короткопериодических ВГВ и полусуточного термического прилива могут быть использованы для усовершенствования различных атмосферных моделей.
На защиту выносятся:
1. Экспериментальное определение преимущественного распространения в западном направлении короткопериодных ВГВ на высоких широтах в зимний период.
-
Обнаруженные различия между средними значениями параметров короткопериодных ВГВ на высоких и средних широтах: на высоких широтах длины волн больше на ~ 10 км, а скорости распространения больше на ~ 20 м/с.
-
Экспериментальное определение амплитуды полусуточного термического прилива на двух высотных уровнях высокоширотной мезопаузы: 8 и 6 К на высотах излучения молекулярного кислорода (~95 км) и гидроксила (~87 км) соответственно.
Личный вклад автора.
Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Автор активно участвовал в постановке научных задач, планировании экспериментов. Принимал прямое участие в получении, обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных. При участии автора реконструированы и запущены в эксплуатацию новые инфракрасные спектрографы, созданы программы автономной работы спектрографов.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на симпозиумах и конференциях: XIII Лаврентьевские чтения для молодых ученых (Якутск, 2009); Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2009); Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (С. Петербург, 2009, 2011, 2013); Всероссийская конференция с международным участием «Физика окружающей среды» (Томск, 2011, 2016); Всероссийская конференция «Космические лучи и гелиосфера» (Якутск, 2012); Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Иркутск, 2012); Всероссийская конференция по солнечно-земной физике (Иркутск, 2013); 12-ая Российско-китайская конференция по космической погоде (Zhengxiangbaiqi, China, 2014); Международная конференция сети по обнаружению изменений мезопаузы (NDMC) (Grainau, Germany, 2014); Международная конференция «Japan Geoscience Union Meeting» (Chiba, Japan, 2015); VII международная конференция «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений» (Петропавловск-Камчатский, 2016); V международная конференция "Atmosphere, Ionosphere, Safety" (AIS) (Калининград, 2016); на научных семинарах отдела аэрономии ИКФИА СО РАН.
Отдельные аспекты работы, положенные в основу диссертации, прошли экспертизу и были поддержаны грантами РФФИ № 16-35-00121-мол_а, 16-35-00204-мол_а, 15-05-05320-а, 15-45-05066-р_восток_а.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 22 печатных работах, из них 7 в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 2 приложений, содержит 113 страниц, включая 41 рисунок, 4 таблицы и библиографию из 164 наименований.
Солнечные термические приливы в области мезопаузы
Одной из разновидностей планетарных (по-другому, глобальных) волн являются приливы, имеющие постоянно действующий периодический источник. По наблюдениям и моделированию атмосферных приливов имеется большое количество различных работ [Чепмен, Линдзен, 1972; Andrews et al., 1987; Forbes, 1995]. Приливы бывают гравитационные и термические – под влиянием Солнца и Луны. Нас же интересуют солнечные термические приливы. Они отличаются по периодам. Существует набор приливных гармоник с периодами m = 0/m, где 0 – длительность солнечных суток (24 ч), а m – номер приливной гармоники (m = 1, 2, 3, ...).
Источником этих приливов является поглощение солнечной энергии озоном и водяным паром на уровне тропосферы и стратосферы. При этом происходит нагревание атмосферы только с той стороны полушария, где светит Солнце. Данное нагревание создает перепады давления атмосферы вдоль параллели. Возникшее долготное возмущение перемещается вдоль параллели из-за вращения планеты, вызывая солнечные термические приливы.
Существует очень много исследовательских работ, где были сделаны численные оценки поглощения в атмосфере водяным паром и озоном [Siebert, 1961; Pressman, 1955; Leovy, 1964]. В итоге было выявлено, что в возбуждении полусуточных колебаний гораздо более важную роль играет озон, чем водяной пар [Siebert, 1961; Lindzen, 1968]. Это объясняется тем, что возбуждение за счет поглощения радиации озоном происходит в слое гораздо большей толщины и на больших высотах.
Другим механизмом генерации гармоник солнечных приливов являются нелинейные процессы, то есть рождение новых гармоник при разрушении гармоник с меньшими числами m (в основном при потере устойчивости интенсивных суточного и полусуточного приливов – m = 1 и 2) и взаимодействие гармоник с разными числами m [Akmaev, 2001].
Наблюдения солнечных термических приливов в земной атмосфере подтверждают уменьшения интенсивности приливов с ростом m. Самыми интенсивными являются суточный и полусуточный солнечные приливы. Например, максимальные изменения давления, наблюдаемые у экватора, для m = 1 и 2 имеют порядки 0.5 и 1 гПа соответственно. Но уже у треть-суточного прилива (m = 3) изменение давления приближается к 0.1 гПа. Спектральный анализ рядов приземного давления длительностью не менее года, с помощью сверхпроводящих гравиметров, выявил гармоники солнечных приливов вплоть до m 10 [Warburton, Goodkind, 1997; Smilie et al., 1993]. Группы гармоник солнечных приливов вплоть до m 30 обнаруживаются в динамических спектрах давления в работе [Shved et al., 2011].
В данном же исследовании наблюдения охватывают только темную часть суток, поэтому суточные солнечные приливы (с m = 1) не могут быть выделены из наших данных. К тому же, по модельным и экспериментальным данным [She et al., 2004], амплитуда суточного прилива на высоких широтах мала, и ее влиянием на оценку параметров полусуточного прилива можно пренебречь.
Нагревание за счет колебаний температуры поверхности существенно отличаются над сушей и морем. Такое неравномерное нагревание должно вызывать термические приливы, которые не следуют за Солнцем. Например, Гаурвиц [Haurwitz, 1956; Haurwitz, 1965] проанализировал данные о приземном давлении по всему земному шару для получения полусуточных и суточных колебаний. Он нашел компоненты, которые не следуют за Солнцем, так называемые немигрирующие солнечные приливы. Появление таких приливов оказалось намного меньше, чем мигрирующие солнечные приливы. Мигрирующий солнечный полусуточный прилив наиболее полно рассчитан в работах [Flattery, 1967; Siebert, 1961; Wilkes, 1949]. В данной работе исследуются полусуточные термические приливы только с одного географического пункта, то есть, к сожалению, невозможно разделить мигрирующие и немигрирующие приливы.
Подытоживая нужно отметить, что отделить солнечный гравитационный и солнечный термический приливы сложнее, чем, например, лунные приливы. У лунных приливов несколько отличающийся период и хорошо известный механизм возбуждения. Тем не менее, было выявлено, что у солнечного гравитационного прилива возбуждение гораздо слабее, чем у термического прилива [Чепмен, Линдзен, 1972].
Не стоит забывать еще и вклад компонентов связанных с распространением внутренних гравитационных волн, амплитуды которых сопоставимы, а иногда и больше амплитуды приливов. Однако усредненные по некоторому интервалу времени данные, в нашем случае, например, в пределах месяца, могут выявить некоторые закономерности в поведении полусуточного прилива.
Исследования приливов. Свойства приливов в области мезопаузы наиболее широко исследованы по их воздействию на ветер, измерения которого проводились радарами [Manson et al., 1989; Portnyagin et al., 1994; Jacobi et al., 1999], оптическими и спутниковыми инструментами [Takahashi et al., 1984; Walterscheid et al., 1986; McLandress et al., 1996; Taori et al., 2005].
Наиболее часто для исследования термического состояния области мезопаузы используются лидарные измерения и спутниковое зондирование по лимбу [Russell et al., 1993; McLandress et al., 1996; Mertens et al., 2001]. На основе таких измерений может использоваться и естественное излучение эмиссионных слоев, находящихся в области верхней мезосферы.
По-видимому, первой работой была [Fukuyama, 1976], в которой вариация эмиссий ночного неба была использована для исследования параметров солнечного прилива. Известно, что соотношение интенсивностей в атмосферной полосе в условиях термодинамического равновесия, соответствует средневзвешенной по ширине эмиссионного слоя температуре атмосферы. Таким образом, измерения молекулярных полос ночного неба являются простым и надежным способом исследования термического состояния области верхней мезосферы. Имеются многочисленные работы, в которых по излучению полос свечения ночного неба исследуются суточные, полусуточные и треть-суточные компоненты атмосферного прилива [Аммосов и др.,1986; Oznovich et al., 1995; Reisin, Scheer, 1996; Pendleton et al., 2000]. Несмотря на то, что в последние годы наблюдается рост количества исследований приливных колебаний по их влиянию на свечение ночного неба, они все еще разрознены. В большей мере измерения проводились в области полярной шапки и на средних широтах.
Излучение гидроксила (ОН) и молекулярного кислорода (О2)..
В настоящее время область мезопаузы авроральных широт относится к наименее изученным областям атмосферы. Известно, что на авроральной широте температура мезопаузы может варьировать от 120 К в летние месяцы до 210 К в зимние, и с уменьшением широты амплитуда сезонного изменения температура мезопаузы должна уменьшаться [Lubken, von Zahn, 1991]. С целью исследования вариаций температуры мезопаузы и волновых процессов с широтой, было принято решение создать меридиональную сеть, состоящую из инфракрасных спектрографов и камер всего неба.
Предварительно оба спектрографа Shamrock в течение года прошли калибровочные измерения на оптическом полигоне Маймага. Во время проведения взаимной калибровки оба прибора были установлены рядом и были направлены на одну и ту же область неба. При этом параметры съемки, охлаждения и моменты запусков были идентичны. На рисунке 2.17 приводится пример сравнения вращательных температур полосы ОН(3,1), полученных двумя идентичными инфракрасными спектрографами Shamrock в течение ночи 14.08.2015 г.
Сравнение вращательных температур полосы ОН(3,1) двух идентичных инфракрасных спектрографов Shamrock за ночь. Синие точки вращательные температуры полосы ОН(3,1) полученные с прибора
№1, красные – с прибора №2. Видно, что два прибора хорошо согласуются между собой. Коэффициент корреляции между рядами вращательных температур достигает до 0,9. Таким образом, приборы прошли все тестовые испытания и включены в режим постоянного наблюдения. В 2015 г. инфракрасный спектрограф Shamrock №2 установлен на полигоне ПГО Тикси [Koltovskoi et al. 2016]. Все настройки и принципы работы идентичны спектрографу, установленному на оптическом полигоне
Маймага. Вращательные температуры полосы ОН(3-1) были получены методикой описанной в главе 4.
Сделано сравнение температуры атмосферы в области мезопаузы на двух разных широтах, на авроральной (Тикси 71.6N) и субавроральной (Маймага 63N), по измерениям, проведенным в первый сезон совместных наблюдений.
На рисунке 2.18 приведены средненочные вращательные температуры полосы ОН(3,1), измеренные на разных широтах в течение одного наблюдательного сезона (2015-2016 гг). По измерениям, проведенным на оптическом полигоне Маймага, атмосфера на высоте излучения гидроксила нагревается с 150К в середине августа до 210К в зимние месяцы и охлаждается до 160К в весенний период. В сентябре измеренные в полигоне Тикси температуры мезопаузы чуть ниже, чем температуры, полученные в
Маймаге. В октябре температура мезопаузы, в Тикси, становится выше, чем в Маймаге. В середине сезона наблюдений идет тенденция к выравниванию температур, измеренных на обеих станциях. Нужно особо отметить тот факт что, несмотря на небольшие различия, отмеченные выше, вариации температуры мезопаузы на субавроральной и авроральной станциях практически идентичны. Коэффициент корреляции между рядами среднесуточных температур достигает до 0,83. Колебания температуры с периодами несколько суток, наблюдаемые одновременно на двух станциях с середины января по конец марта, можно отнести к планетарным волнам. Они не имеют фазового сдвига.
Следующим этапом в развитии меридиональной сети планируется установка оптической станции в окрестностях г. Нерюнгри (Л=56), которая будет состоять из камеры всего неба и спектрографа на базе монохроматора МДР-23 с регистратором Andor. В настоящее время заканчивается изготовление и испытания камеры и спектрографа на полигоне Маймага. В перспективе наша меридиональная сеть может войти в международную программу IMCP (International Space Weather Meridian Circle Program) под эгидой АН КНР. Программа предусматривает создание меридиональной сети по исследованию влияния элементов космической погоды на магнитосферу и атмосферу Земли, проходящей по 120 меридиану Восточной долготы и 60 меридиану Западной долготы. В настоящее время проходят переговоры и согласованию по запуску программы.
В результате, на основе проведенных расчетов и опытно-конструкторских, экспериментальных работ создан комплекс оптических приборов, предназначенный для исследования теплового и динамического режимов, а также волновых возмущений области мезопаузы, состоящий из камеры всего неба, инфракрасного цифрового спектрографа СП-50 и двух идентичных автоматических инфракрасных спектрографов Shamrock, установленных на разных широтах (субавроральная и авроральная зона) с налаженной и полностью автоматизированной работой ведения наблюдений. Созданный оптический комплекс обладает достаточным временным и пространственным разрешением для исследования физики волновых процессов (ВГВ) в области мезопаузы, точность измерения температуры в данной области составляет 1К с использованием спектрографа Shamrock.
Для удобства обработки и анализа, данные полученные с вышеописанных оптических приборов были внесены в единую базу данных. База данных хранится на сервере ИКФИА СО РАН, которая каждый день автоматически пополняется свежими данными.
В данной главе сделано научно-техническое обоснование создания меридиональной сети оптических станций для исследования широтных особенностей волновой активности в области мезопаузы, включающей инфракрасные спектрографы и камеры всего неба.
В ближайшем будущем планируется получить новые результаты не только по исследованиям волновых процессов, но и по другим новым направлениям исследований высокоширотной мезопаузы.
Создание меридиональной оптической сети станций
В атмосфере Земли наблюдается широкий диапазон различных колебаний: начиная от звуковых, заканчивая многолетними колебаниями, обусловленными воздействием 11-летнего солнечного цикла. На высотах мезопаузы - в области мезопаузы - эти колебания в виде различных волн становятся доминирующей формой движения. Одной из разновидностей глобальных волн являются солнечные термические приливы. Источником этих приливов является поглощение солнечной энергии озоном и водяным паром на уровне тропосферы и стратосферы. При этом происходит нагревание атмосферы только с той стороны полушария, куда светит Солнце. Данный нагрев создает перепады давления атмосферы вдоль параллели. Возникшее долготное возмущение перемещается вдоль параллели из-за вращения планеты, вызывая глобальную волну. В области мезопаузы эти глобальные волны в виде суточных (24ч) и полусуточных (12ч) термических приливов влияют на суточные вариации параметров атмосферы, таких как молекулярные полосы свечения ночного неба. А для исследования динамики области мезопаузы фундаментальным параметром является температура. Она обеспечивает прямую информацию о структуре интересующей области атмосферы и об ее изменениях под влиянием волновых процессов. Известно, что соотношение интенсивностей в атмосферной полосе в условиях термодинамического равновесия, соответствует средневзвешенной по ширине эмиссионного слоя температуре атмосферы. Таким образом, измерения температуры молекулярных полос ночного неба являются простым и надежным способом для исследования термического состояния области верхней мезосферы.
В этой главе излагаются результаты исследования полусуточных термических приливов, параметры которых получены по флуктуациям вращательных температур молекулярных эмиссий гидроксила ОН(6,2) и первой атмосферной полосы кислорода О2 (0-1), возбуждающихся примерно на 87 и 95 км соответственно.
В отличие от средних широт, в высоких широтах временные ряды, получаемые в зимнее время, довольно длинные, до 14 ч. Наблюдения охватывают только темную часть суток и параметры приливной компоненты с периодом 24 ч не могут быть выделены из данных. К тому же, по модельным исследованиям и экспериментальным данным [She et al., 2004], амплитуда суточного прилива на высоких широтах мала, и ее влиянием на оценку параметров полусуточного прилива можно пренебречь.
Надо отметить, что в последние годы наблюдается рост количества исследований приливных колебаний по их влиянию на свечение ночного неба, но они все еще разрознены. Большинство измерений проводились в области полярной шапки и на средних широтах. Высокие же широты остаются «белым пятном».
Данные, для исследования параметров полусуточного прилива, были получены посредством инфракрасного спектрографа СП-50, регистрирующего одновременно обе атмосферные полосы OH(6,2) и O2(0–1). Подробное описание оптического прибора и условия проведения наблюдений даны в п.2.2.
Используя базу данных, были выбраны безлунные ясные ночи, при отсутствии сияний, подобно выборке данных камеры всего неба. Сами же изображения камеры всего неба были использованы для определения ясных безоблачных ночей. После выбора подходящих ночей стояла задача определения вращательной температуры из изображений, полученных инфракрасным спектрографом. Для этого изображения переводили в численный вид, получали контуры линий (спектра).
В работе [Аммосов, Гаврильева, 2000] был предложен метод оценки вращательной температуры молекулярной эмиссии. Данный метод, по сравнению со старым методом, учитывает площадь всего контура, а не только максимумы интенсивностей Р-линий. Иными словами к реально измеренному спектру полос Р-линий подгоняются модельные спектры, с учетом аппаратной функции прибора для различных заранее заданных температур. Модельный спектр, отклонение которого от реального не превышало шума регистрации, было принято считать наиболее соответствующим действительности, и его вращательную температуру соответствующей температуре на высоте излучения. При оценке вращательной температуры по полосе гидроксила были использованы вероятности перехода рассчитанные в работе [Mies, 1974]. Такой способ определения вращательной температуры увеличил точность оценки температуры почти на порядок - от 15-20К до 2-5К.
Методика определения температуры. Метод определения температуры по спектру излучения гидроксила основан на предположении, что распределение интенсивности в линиях вращательных полос зависит от вращательной температуры. Спектральные параметры вращательных линий полос гидроксила, использованные для оценки распределения интенсивности Р-линий при определенной температуре, брались из «Атласа спектра излучения ночного неба Ш000-12400 А» [Krassovsky et al, 1962]. Рисунок 4.1. Контур спектра полос ОН(6,2) и О2(0-1), полученный на спектрографе СП-50
Оценка начинается с построения синтетического контура при заданном значении температуры, для чего модельный спектр молекулярной полосы, рассчитанный по формуле, свертывается с реальной аппаратной функцией прибора. 7 = 1 где I(i,Т) - интенсивность, вычисленная при заданной температуре Т, h(i) -аппаратная функция прибора, і - номер пикселя, m - ширина передаточной функции. В практике h(i) равна, полуширине изображения линии неоновой лампы, измеренной в рабочей области спектра. При этом с шириной самой линии неоновой лампы пренебрегается, по сравнению с полушириной аппаратной функции спектрографа.
Реальный спектр включает в себя так же и непрерывную составляющую, которая может состоять как из собственного излучения ночного неба, называемого континуумом, так и составляющих другой природы, как накопленный шум прибора, сумерки, лунный свет, звездная составляющая и др. Эти непрерывные части входят в моделируемый спектр в виде слагаемых:
Исследование параметров распространения полусуточного термического прилива
На рисунке 4.4 приведен пример подгонки полусуточной вариации вращательных температур молекул ОН(6,2) и О2(0-1). В эту ночь 13 января 2005 года длительность наблюдений составляла около 11 часов. Известно, что зимой на высоких широтах мезопауза расположена на высоте около 100 км и следовательно температура на высоте излучения О2 ( 95 км) должна быть ниже, чем на высоте слоя ОН ( 87 км). На рисунке 4.4 четко видно, что в среднем вращательная температура О2 ниже, чем температура ОН. Амплитуда полусуточного прилива в полосе гидроксила равна 4.8 К, а полосе молекулярного кислорода 7.0 К. Фаза волны в температуре О2 опережает фазу волны в температуре ОН примерно на 1 час, что соответствует перемещению фазового возмущения сверху вниз. В обеих эмиссиях ошибки оценки амплитуды составляли примерно 1 К и ошибки оценки фазы 0.5 часа. Рост амплитуды волны с высотой и направленная вниз фазовая прогрессия позволяет интерпретировать ее как полусуточный прилив, источник которого находится в нижних слоях атмосферы. 13 января
Пример выделения приливной компоненты в измерениях температуры верхней мезосферы в ночь с 13 на 14 января 2005 г. Черные кружки, соответствуют вращательной температуре эмиссии ОН(6,2), открытые кружки, – вращательной температуре эмиссии О2 (0-1). Сплошная и штриховая плавные линии указывают полусуточный прилив в обеих эмиссиях. Амплитуда волны в слое гидроксила равна 4.8 К, а в слое молекулярного кислорода - 7.0 К. Фаза волны в температуре О2 опережает фазу волны в температуре ОН примерно на 1 час.
Для исследования сезонного хода полусуточного прилива в течение зимы, найденные амплитуды и фазы были отобраны по месяцам. Были оценены среднемесячные значения амплитуды и фазы полусуточной волны в обеих эмиссиях. Погрешность измерения в каждом месяце была принята равной среднеквадратичному отклонению оценки среднего. На рисунке 4.5 приведены амплитуды 12-часовых вариаций во вращательных температурах молекул гидроксила и кислорода. Амплитуда волны на высоте излучения молекулярного кислорода ( 95 км) больше 2 К, чем на высоте свечения гидроксила ( 87 км), и равна 8 К. Фазы прилива в обеих эмиссиях приведены на рисунке 4.6. За исключением ноября полусуточный прилив на высоте излучения молекулярного кислорода опережает по фазе колебание на высоте излучения гидроксила. В среднем фаза полусуточного прилива на высоте свечения ОН равна 5.7 часам, а на высоте О2 составляет около 6.4 часа.
Среднемесячные фазы полусуточного прилива во вращательной температуре ОН(6,2) (темные кружки) и О2(0-1) (светлые кружки). Фаза указана в часах местного солнечного времени. Сезонные изменения приливных колебаний в температуре мезопаузы были исследованы посредством лидарного зондирования на среднеширотной станции Fort Collins (40.6 N, 105 W) [Williams et al., 1998]. Амплитуда полусуточного прилива над Маймагой с октября по март почти стабильна на высоте излучения ОН ( 87 км). На высоте излучения О2, которая считается равной 95 км, скачок величины амплитуды наблюдается в марте, что примерно на месяц раньше, чем в Fort Collins. Среднемесячные амплитуды, полусуточного прилива, наблюдаемые в эмиссионном слое гидроксила равна 6 К, на высоте излучения молекулярного кислорода 8 К, что соответствует росту амплитуды волны с высотой. Значения амплитуд волн, полученные по нашим измерениям, несколько меньше, но рост амплитуды с высотой в обоих измерениях равен 2 К.
Согласно теории приливных колебаний наибольшие амплитуды полусуточные колебания должны наблюдаться на низких и средних широтах и по мере продвижения к полюсу приливные колебания должны исчезать [Walterscheid, Schubert, 1995]. Однако по многочисленным измерениям приливы наблюдаются повсеместно. Даже в верхней атмосфере полярной шапки есть колебания, которые можно отнести к приливным волнам [Walterscheid, Sivjee, 1996; Oznovich et al., 1997; Fisher et al., 1999]. Амплитуда полусуточного прилива, измеренного на высоких широтах над Маймагой, имеет амплитуду, несколько меньшую по сравнению с приливом на средних широтах. Последнее согласуется с теорией приливных колебаний.
Так как источник полусуточного термического прилива находится в тропосфере и стратосфере, возмущение на большей высоте должна опережать по фазе возмущение на меньшей высоте. На рисунке 4.6 видно, что за исключением ноября действительно наблюдается опережение средних за месяц фаз прилива на уровне слоя ОН относительно уровня слоя О2. Значение фазы на высоте свечения О2 равна 6.4 часам, а на высоте ОН 5.7 часам, что соответствует характеристикам полусуточного прилива в температуре мезопаузы, полученным по данным лидара в Форт Коллинзе (FortCollins) в сентябре [Zhao et al., 2005]. В отличие от амплитуды в марте существенных вариаций значения фазы не наблюдается.
Таким образом, исследован полусуточный термический прилив в области высокоширотной мезопаузы. Параметры получены по вариациям вращательных температур молекулярных эмиссий гидроксила ОН(6,2) и первой атмосферной полосы молекулы кислорода О2(0-1), возбуждающихся примерно на 87 и 95 км соответственно. Для анализа были рассмотрены данные с базы данных, полученных с 1999 по 2005 гг. Анализировались температурные ряды, полученные с октября по март. Для определения параметров полусуточного прилива оказались пригодными измерения, проведенные в течение 214 ночей. Было выявлено, что амплитуда полусуточной приливной волны на высоте излучения молекулярного кислорода ( 95 км) равна 8 К и 6 К, на высоте свечения гидроксила ( 87 км). За исключением ноября, полусуточный прилив на высоте возбуждения молекулярного кислорода опережает по фазе колебание на высоте возбуждения гидроксила. В среднем фаза на высоте свечения OH равна 5.7 ч, а на высоте O2 составляет 6.4 ч.