Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления об исследованиях эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм в средних широтах 12
1.1 Механизмы формирования эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм 13
1.2 Влияние гелио-геофизических процессов и явлений на регистрируемые характеристики эмиссии 557.7 нм 20
1.3 Регулярные и нерегулярные вариации эмиссии 557.7 нм. 23
1.4 Развитие исследований эмиссии 557.7. нм. 29
Глава 2 Аппаратура и методы исследования собственного излучения верхней атмосферы 33
2.1 Спектрофотометрическая аппаратура, используемая для регистрации свечения атмосферы в Институте солнечно-земной физики СО РАН 39
2.2 Калибровка фотометрических данных измерений интенсивностей атмосферных эмиссий 46
2.3 Погрешности фотометрических данных измерений интенсивностей атмосферных эмиссий 47
2.4 Условия наблюдений излучения верхней атмосферы Земли в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН 50
Глава 3. Регулярные вариации эмиссии 557.7 нм в регионе Восточной Сибири 51
3.1 Ночной ход интенсивности эмиссии 557.7 нм 51
3.2 Сезонные вариации интенсивности эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм . 57
3.3. Межгодовые вариации эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм. Зависимость от солнечной активности 73
3.4 Зависимость интенсивности эмиссии 557.7 нм от температуры атмосферы на высотах излучающего слоя (85-115 км) 86
Глава 4. Нерегулярные вариации эмиссии 557.7 нм во время внезапных зимних стратосферных потеплений в регионе Восточной Сибири 95
4.1. Возмущения характеристик эмиссии 557.7 нм во время внезапных стратосферных потеплений 96
4.2. Вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм и температуры атмосферы на высотах стратосферы (~ 30 км) 105
4.3. Одновременные наблюдения усиления атмосферной эмиссии 557.7 нм и образования спорадических слоев в периоды температурных возмущений в страто-мезосфере 109
Заключение 120
Список литературы 124
- Влияние гелио-геофизических процессов и явлений на регистрируемые характеристики эмиссии 557.7 нм
- Калибровка фотометрических данных измерений интенсивностей атмосферных эмиссий
- Сезонные вариации интенсивности эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм
- Вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм и температуры атмосферы на высотах стратосферы (~ 30 км)
Введение к работе
Область атмосферы на высотах 80-120 км, мезопауза и нижняя термосфера (МНТ), как и вся верхняя атмосфера в целом, представляет собой сложную неоднородную среду. Протекающие в ней процессы обуславливаются поглощением солнечного ультрафиолетового излучения (УФ), вторжением энергичных заряженных частиц, а также энергией, транспортируемой широким спектром волн, генерируемых в нижних слоях атмосферы. По некоторым оценкам, потоки энергии от внутренних гравитационных волн в эту область атмосферы сопоставимы с потоками коротковолнового излучения Солнца (~ 10 эрг-см"2 -с"1), контролирующего температурный режим на этих высотах. Все это приводит к перемешиванию атмосферы, которое сопровождается интенсификацией большой совокупности различных фотохимических процессов и связанных с ними явлений. Вследствие этого в ней происходят пространственно-временные изменения структурных и динамических характеристик, которые отображают природу и механизм происходящих явлений, т.е., в конечном счете, притока и стока энергии. Благодаря существованию малых газовых компонентов в атмосфере, представляющих собой различные химически активные и нестабильные атомы и молекулы, являющихся промежуточными продуктами фотохимических реакций, с помощью которых происходит передача и преобразование энергии, появляется возможность возникновения излучения в достаточно широком спектральном интервале. Это излучение является чувствительным индикатором всей совокупности процессов в этой области атмосферы. Оно позволяет регистрировать различные пространственно-временные вариации ее температуры и химического состава.
Одним из важнейших, химически активных газовых компонентов, на высотах МНТ является атомарный кислород. Его эмиссия 557.7 нм, возникающая в области МНТ, является индикатором одного из путей рекомбинации атомарного кислорода, который образуется на высотах около 100 км вследствие диссоциации молекулярного кислорода при поглощении УФ излучения Солнца. Необходимость знания термодинамического состояния МНТ - этой важной области средней атмосферы, оказывающей значительное влияние на вышележащие слои, делает эмиссию атомарного кислорода 557.7 нм одним из основных инструментов исследования ее состояния. Регистрация вариаций (различного временного масштаба) характеристик эмиссии 557.7 нм, а также их пространственного распределения, дают возможность для исследования причинно-следственных связей изменения геофизических параметров верхней атмосферы при воздействии на нее солнечного УФ излучения в периоды различных фаз циклов солнечной активности, а также воздействия различных динамических процессов, происходящих в приземных слоях атмосферы.
Актуальность таких исследований определяется тем, что область МНТ является уровнем атмосферы, состояние и параметры которого определяют структуру и алгоритм построения современных теоретических и эмпирических моделей верхней атмосферы. Поэтому необходимы накопление и систематизации данных о структурных, динамических и температурных параметрах атмосферы в этом диапазоне высот. К этому следует добавить, что накопленные к настоящему времени сведения о вариациях характеристик эмиссии 557.7 нм (интенсивность, высота слоя свечения) относятся в основном к средним широтам Европейской части континента. На основе этих данных был проведен ряд исследований различных типов их регулярных вариаций. Отдельные эпизодические измерения проводились в районе
Дальнего востока (Япония). Однако, практически, до настоящей работы, отсутствие базы данных измерений вариаций характеристик эмиссии 557.7 нм в Азиатском регионе (в особенности, в центре огромного материка, т.е. средние широты Восточной Сибири) создавало серьезные трудности при интерпретации долготных вариаций характеристик верхней атмосферы и сопоставлении их с данными спутниковых измерений. Широкое развитие спутниковых исследований, в том числе и с помощью атмосферных эмиссий, только подчеркнуло ряд преимуществ наземных методов исследований верхней атмосферы - возможность изучать слабые эмиссии, дающие важную информацию об атмосфере, путем длительных наблюдений. Актуальными являются также исследования возможных климатических изменений характеристик верхней атмосферы, включая собственное излучение верхней атмосферы Земли.
Целью настоящей работы является исследование закономерностей регулярных и нерегулярных вариаций эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм для условий наблюдений в регионе Восточной Сибири и их связи с солнечными и атмосферными процессами для различных гелиогеофизических условий. В работе решались следующие основные задачи:
Исследование ночного и сезонного хода эмиссии 557.7 нм, выявление их закономерностей и особенностей для региона наблюдения.
Исследование межгодовых вариаций эмиссии 557.7 нм в зависимости от уровня солнечной активности.
Изучение и анализ вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм во время стратосферных потеплений, исследование воздействия стратосферных потеплений на характеристики этой эмиссии.
4. Выявление связи интенсивности эмиссии 557.7 нм с температурой атмосферы на высотах излучающего слоя и стратосферы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
На основании материалов многолетних исследований получены новые данные о поведении излучения атомарного кислорода для региона Восточной Сибири, характеризующие динамическое состояние атмосферы в области высот МНТ.
Впервые обнаружено, что существуют солнечные циклы, для которых на фазе роста и максимума солнечной активности отмечается отрицательная корреляция среднемесячных значений интенсивностей эмиссии 557.7 нм и индекса Fioj.
- Впервые для региона Восточной Сибири проведено исследование влияния зимних стратосферных потеплений на характеристики эмиссии 557.7 нм; выявлено, что в результате стратосферных потеплений может наблюдаться аномальный, до 500%, рост интенсивности эмиссии. Показано, что географическая неравномерность стратосферных потеплений и их высокая концентрация в Азиатском регионе и, в частности, над Восточной Сибирью могут формировать региональные (а, возможно, и широтно-долготные) особенности вариаций эмиссии 557.7 нм, в том числе особенности ее ночного и сезонного хода.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается большим объемом экспериментального материала, на основе которого сделаны главные выводы работы, статистической надежностью измерений и применением общепринятых методик обработки данных и оценки точности результатов измерений. Сделанные научные выводы получили подтверждение в работах отечественных и зарубежных исследователей.
Практическая значимость
Полученные в работе результаты могут быть использованы:
Для проведения систематических исследований процессов распространения и генерации ВГВ активными метеорологическими образованиями, процессов их диссипации и построения теории этих явлений.
Для построения модели поведения атмосферы на высотах МЫТ в зависимости от различных гелиогеофизических условий.
- Для определения концентрации атомарного кислорода на высотах
около 100 км, и коррекции данных его многолетних изменений.
- Для уточнения деталей механизма возникновения излучения атомарного
кислорода, поскольку материалы многих лабораторных и теоретических рассмотрений
этой проблемы связаны с необходимостью делать ряд допущений и предположений.
На защиту выносятся следующие положения: 1.Сезонный ход атмосферной эмиссии 557.7 нм для средних широт, Азиатского региона (52N, 103Е), указывающий на существование региональных особенностей этой эмиссии, обусловленных стратосферными потеплениями, по сравнению с модельными расчетами и результатами других среднеширотных станций.
Проявления зимних стратосферных потеплений в атмосферной эмиссии 557.7 нм в регионе Восточной Сибири, выражающиеся в аномально высоких значениях интенсивности этой эмиссии, и приводящие к возникновению региональных особенностей ее характеристик.
Результаты совместного анализа вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм и температуры атмосферы на высоте максимума излучающего слоя, выявившего их положительную регрессионную связь, которая может являться результатом
коррелированных вариаций концентраций основных атмосферных составляющих и температуры на высотах вблизи мезопаузы.
4. Исследование вариаций эмиссии 557.7 нм в 23-м солнечном цикле в связи с солнечной активностью, выявившее нарушение корреляции значений интенсивностей эмиссии 557.7 нм с индексом F10.7 на фазе роста солнечной активности, вызванное аномальным термодинамическим режимом средней атмосферы в 1998 - 2000 гг.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке научных задач, обработке данных измерений, анализе и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты и выводы, полученные^ работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной конференции "Физика ионосферы и атмосферы Земли" (Иркутск, 1998); Ассамблее IUGG (Бирмингем, 1999); II Байкальской школе по фундаментальной физике (Иркутск, 1999); Международной конференции "The First S-RAMP Conference"(Cannopo, 2000); II международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2000); 33-й, 34-й, 36-й и 37-й Ассамблеях COSPAR (Варшава, 2000; Хьюстон, 2002; Пекин, 2006; Монреаль, 2008); VIII Российско-китайском совещании по космической погоде (Пекин, 2007); VIII, IX, XIII, XIV и XV Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2001; Томск, 2002; Томск, 2006; Бурятия, 2007; Красноярск, 2008); VII Международной школе-семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (YouthPhys'05) (Томск, 2005); 11 Международной конференции "Solar-Terrestrial Influences" (София, 2005);
Международном симпозиуме International Heliophysical Year: New Insights into Solar-Terrestrial Physics (IHY2007-NISTP) (Звенигород, 2007); Международной рабочей группе "First Results of IHY 2007" (Созопол, Болгария, 2008); на научных семинарах ИСЗФ СО РАН.
Влияние гелио-геофизических процессов и явлений на регистрируемые характеристики эмиссии 557.7 нм
Регистрация эмиссии 557.7 нм различными методами (наземными, ракетными, спутниковыми) сопровождается измерениями таких ее характеристик, как интенсивность, высота и форма излучающего слоя.
Излучающий слой зеленой эмиссии атомарного кислорода локализован в области высот атмосферы, где активно протекают различные динамические процессы, вызываемые как процессами нагревания вследствие поглощения солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения, так и за счет воздействия активных метеорологических процессов в нижних слоях атмосферы. Поэтому регистрация вариаций (различного временного масштаба) характеристик эмиссии 557.7 нм, а таюке их пространственного распределения, дают возможность для исследования причинно-следственных связей изменения геофизических параметров верхней атмосферы при воздействии на нее солнечного УФ излучения в периоды различных фаз циклов солнечной активности, а таюке воздействие различных динамических процессов, происходящих в приземных слоях атмосферы. В первую очередь, эти воздействия проявляются в изменениях высоты и толщины эмиссионного слоя, которые во многом и обуславливают наблюдаемые вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм. За период с 1956 г., когда были проведены первые ракетные измерения характеристик этой эмиссии, практически до настоящего времени, было произведено чуть более 40 измерений. Сведения о них представлены в работах [Packer, 1961; Kulkarni, 1976; Offermann and Drescher, 1977; Thomas and Young, 1981]. К сожалению, для семи пусков данные измерений вблизи мезопаузы не представлены. Поскольку большая часть запусков проводилась в полосе широт 30-40 N, то эти данные, после их систематизации, позволили получить первые представления о сезонных, суточных вариациях эмиссии 557.7 нм в средних широтах и их зависимость от уровня солнечной активности [Шефов и Кропоткина, 1975]. Эти данные, совместно с данными последующих пусков ракет вблизи экватора [Kulkarni, 1976] и в других районах [Witt et al., 1979; Thomas and Young, 1981], позволили сделать вывод, что высота эмиссионного слоя на низких широтах в среднем выше, чем на средних широтах и составляет около 102 км, в то время как для средних широт (30-40)N она составляет около 97 км, а толщина слоя W 8 км [Шефов и Кропоткина, 1975]. Необходимо отметить, что эти выводы были сделаны без привязки к конкретным гелиогеофизическим условиям. В интервале широт 40-70 N было проведено 10 измерений. Они показали значения высоты максимума ниже 90 км, что согласно более поздним спутниковым измерениям высотного распределения атомарного кислорода в ночное время, представляется маловероятным. Измерения эмиссии 557.7 нм со спутника ОГО-6 [Donahue et al., 1973] не позволили выявить вариации высоты слоя, по-видимому, вследствие малой угловой разрешающей способности фотометра.
На основе более поздних измерений интенсивности эмиссии 557.7 нм на спутнике UARS были построены высотно-широтные распределения в интервале широт 40S-40N. Интересно отметить, что на широтах вблизи 30 N, где по наземным наблюдениям имеется максимум интенсивности, он существует и в южном полушарии, и на высотах 97 км расположены максимумы высоты слоя эмиссии [Ward, 1999].
Модуляция интенсивности излучения 557.7 нм (как, впрочем, и многих других эмиссий верхней атмосферы) во многом обусловлена влиянием, как солнечной активности, так и обширного класса различных метеорологических процессов в нижней атмосфере, генерирующих внутренние гравитационные волны, распространяющиеся в верхние слои атмосферы. Последнее было предсказано и развито в работах [Krassovsky, 1957, 1972]. Рассмотрение процессов возбуждения эмиссий при адиабатическом сжатии и разрежении атмосферы излучающего слоя, обусловленных прохождением ВГВ, позволило В.И. Красовскому получить соотношения, связывающие изменения температуры атмосферы в слое AT с изменениями интенсивности эмиссий AI [Krassovsky, 1972; Красовский и Шефов, 1976] A/ AT поп у = 7 — (1-2.1) где г - первое число Красовского, равное 7 = - 7 + 0, (1-2-2) где у - отношение теплоємкостей Cp/cv , а - коэффициент, зависящий от степени гашения возбужденного состояния атома или молекулы, р - показатель степени скорости трехкомпонентной реакции, приводящей к образованию возбужденного атома или молекулы. В работе [Семенов, 1989] показано, что величина т для эмиссии 557.7 нм должна быть меньше единицы, и на основе данных измерений вариаций доплеровской температуры эмиссии и ее интенсивности, рассчитанное значение составляет 0.6.
Существенное влияние на вариации интенсивности эмиссии атомарного кислорода и ее пространственно-временное распределение оказывают планетарные волны [Роч и Гордон, 1977; Перминов и др., 2004], орографический эффект [Шефов и др., 2006; Насыров, 2007] и практически ежегодно возникающие на средних широтах зимние стратосферные потепления [Fukuyama, 1977а; Медведева и др., 2007]. Вариации эмиссии 557.7 нм в периоды внезапных стратосферных потеплений представляют большой интерес как наиболее сильные возмущения эмиссии в спокойных геомагнитных условиях.
Калибровка фотометрических данных измерений интенсивностей атмосферных эмиссий
Спектральная калибровка оптических измерений собственного излучения верхней атмосферы является неотъемлемой частью проводимых измерений. Она включает в себя как калибровку спектрального распределения относительной чувствительности всей оптической системы, определяемой приемником излучения и спектральной аппаратурой, так и абсолютную калибровку потоков излучения.
Абсолютная калибровка фотометров проводилась с помощью измерений освещенности звезды а Возничего класса G8III (звездная величина 0.1т) в зимние месяцы непосредственно в процессе наблюдения свечения атмосферы. Измерения проводились в околозенитные направления таким образом, чтобы изображение звезды полностью заполняло апертуру прибора.
Поскольку спектр распределения энергии звезды [Харитонов и др., 1972] и полосы пропускания интерференционных фильтров известны, это позволило определить абсолютную чувствительность каналов фотометров в Рэлеях (Фишкова, 1983). Стабильность чувствительности каналов фотометра контролируется с помощью опорных световых источников - калибраторов - в вечерние и утренние часы наблюдений.
В рассматриваемом случае погрешности измерений складываются из ошибок фотометрических измерений, ошибок определения характеристик эталонных источников, а также методических ошибок выделения эмиссионных линий и процедуры проведения калибровок.
Особенности фотоэлектрических измерений состоят в том, что интервал времени накопления сигнала определяется либо постоянной времени усилительного блока при аналоговом методе измерений, либо он в случае применения метода счета фотонов задается режимом работы регистрирующего устройства. При каждом таком заданном временном интервале полученное значение интенсивности является средним значением, несмотря на возможные вариации излучения за этот период.
Обычно считается, что при хороших условиях для фотометрических измерений, достижима точность относительных измерений интенсивности регистрируемого излучения до 0,1 %, а точность 1 % является обычной [Зайдель А.Н. и др., 1976]. Нами была проведена оценка относительных ошибок измерений в используемых фотометрах для условий наблюдении излучения верхней атмосферы. Для стандартного отклонения S, полученного по измерениям сигналов калибраторов и в условиях реальных сигналов (в отсутствие выраженных вариаций), были получены соответственно значения 1% и 2-4% для 1-2 часовых интервалов регистрации. Величины стандартной ошибки среднего (SA/N, где N число измерений) для 1-2 часовых интервалов регистрации (N 200-300 измерений) составили для сигналов калибраторов 0.06-0.1% и 0.15-0.3% в условиях реальных сигналов. -2000
Нарис. 2.3.1 приведен график интенсивности эмиссии 557.7 нм для 1.04.2001 г. с
предварительной длительной калибровкой. Для оценки характерных погрешностей канала 557.7 нм брался двухчасовой интервал, когда регистрировался сигнал от калибратора. Для этого интервала были получены следующие значения: число отсчетов - 260, минимальное значение - 616, максимальное значение - 729, среднее значение - 671.2. Значения стандартной ошибки среднего и стандартного отклонения для этого интервала составляют 1.428 и 23.02 или 0.21% и 3.4 % соответственно. 4 К В условиях реальных сигналов с выраженными вариациями для средних ночных значений (N до 1000-1500 измерений) стандартная ошибка среднего S/VN составляла величины 1 -2%. На рис. 2.3.2 приведен измеренный ночной (3.03.- 4.03.2003 г) ход интенсивности эмиссии 557.7 нм. Для 10-часового интервала наблюдения получены следующие значения: число отсчетов - 1485, минимальное значение - 178.85 Рл, максимальное значение - 426.50 Рл, среднее значение - 264.62 Рл, Значения стандартной ошибки среднего и стандартного отклонения для этого интервала наблюдения составляют 1.42 и 54.70, или 0.54% и 20.7% соответственно. Интенсивность эмиссии 557.7 нм, зарегистрированная 3-4.03.2003 г. в ГО ИСЗФ СО РАН. Ошибка абсолютных измерений интенсивности эмиссий 557.7 и 630 нм в используемых нами фотометрах согласно [Фишкова, 1983] оценивается величиной 10-15 %, т.к. используется стандартная методика выделения эмиссий с помощью качающихся интерференционных фильтров. Полученные нами среднемесячные и среднегодовые абсолютные значения эмиссий 557.7 и 630 нм находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, полученными на других среднеширотных станциях и даваемых модельными аппроксимациями [Семенов, Шефов, 1997а; Фишкова и др., 2000; Михалев, Медведева, 2002; Mikhalev et al, 2003].
Сезонные вариации интенсивности эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм
Как уже отмечалось, зеленая линия атомарного кислорода [OI] 557.7 нм является самой яркой дискретной эмиссией в видимой области спектра в ночном свечении среднеширотной верхней атмосферы. Одной из важных характеристик этой эмиссии является выраженный сезонный ход, который отображает регулярные динамические процессы в верхней атмосфере и, в частности, вариации распределений температуры и состава мезосферы и нижней термосферы.
В настоящем разделе представлены результаты исследования сезонного хода эмиссии 557.7 нм, полученного на основе данных наблюдений собственного свечения верхней атмосферы в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (52 N, 103 Е, Восточная Сибирь) в 1991-1993 и 1997-2007 годах [Михалев и Медведева, 2002; Mikhalev and Medvedeva, 2003; Mikhalev et al. 2003]. Следует отметить, что до этого времени регулярные исследования свечения верхней атмосферы в регионе Восточной Сибири не проводились, что может представлять дополнительный интерес в связи с возможными особенностями региона наблюдения [Mikhalev и др., 2001].
Первоначально исследование сезонного хода эмиссии 557.7 нм проводилось для периода 1991-1993 и 1997-2001 гг, общее число дней наблюдений за указанный период составило 397. На рис.3.2.1 приведены данные средних ночных интенсивностей эмиссии 557.7 нм в зените (темные кружки) в зависимости от дня года для периодов 1991-1993 и 1997-2001 гг. по данным ГО ИСЗФ СО РАН. На этом же рисунке приведен график сезонного хода эмиссии 557.7 нм, полученный усреднением по месяцам средних ночных значений эмиссий 557.7 нм за указанные периоды. 1000 г
Известно [Fukuyama, 1977b; Фишкова, 1983; Семенов и Шефов, 1997а], что в средних широтах интенсивность эмиссии 557.7 нм характеризуется сезонным ходом, при котором отмечаются максимумы около периодов равноденствий, в феврале-марте и октябре-ноябре, и летом, при этом амплитуда осеннего максимума наибольшая. Соотношение между амплитудами максимумов зависит от географической широты места наблюдения. Таков характер сезонного хода для большинства среднеширотных станций в диапазоне широт 35-50 N. Отличия заключаются в средних годовых интенсивностях и величинах максимумов эмиссии 557.7 нм. Это позволяет говорить о качественном совпадении полученного сезонного хода эмиссии 557.7 нм по данным ГО ИСЗФ СО РАН с данными измерений в других регионах. Для выявлений возможных особенностей сезонного хода эмиссии 557.7 нм в исследуемом регионе было проведено его сопоставление с существующими моделями сезонного хода, учитывающими вклад различных факторов, влияющих на процессы заселения уровня атомарного кислорода S, определяющего интенсивность эмиссии 557.7 нм. На рис.3.2.2 показано сравнение среднемесячных интенсивностей эмиссии 557.7 нм по результатам наблюдений в ГО ИСЗФ СО РАН с эмпирической моделью сезонного хода эмиссии 557.7 нм по данным работы [Семенов и Шефов, 1997а] (рис. 3.2.2а) и аппроксимацией сезонного хода этой эмиссии согласно работе [Фишкова и др., 2000] (рис. 3.2.26).
В расчетах по эмпирическим моделям учитывались поправки для среднегодовых интенсивностей эмиссии 557.7 нм на широту Иркутска, многолетние тренды и солнечную активность. Были проведены расчеты для каждого года измерений для разных уровней солнечной активности и многолетнего тренда, на рисунках представлены усредненные графики модельных расчетов за 1991-1993, 1997-2001 гг.
Сопоставление сезонного хода эмиссии 557.7 нм по данным измерений в ГО ИСЗФ СО РАН (пунктирные кривые) с сезонным ходом, вычисленным по эмпирическим моделям [Семенов и Шефов, 1997а] (а) и [Фишкова и др., 2000] (б) (сплошные линии).
Средняя интенсивность эмиссии 557.7 нм по экспериментальным данным ГО ИСЗФ СО РАН за период 1991-1993, 1997-2001 гг составила 336 Рэлей, по расчетам по эмпирической модели [Семенов и Шефов, 1997а] - 277 Рэлей, по эмпирической модели [Фишкова и др., 2000] - 280 Рэлей.
Сопоставление кривых рис.3.2.2 позволяет отметить качественное совпадение анализируемых экспериментальных результатов наблюдений и модельных расчетов. Между тем, можно отметить некоторые количественные отличия в сезонном ходе эмиссии 557.7 нм, полученном по данным ГО ИСЗФ СО РАН, заключающиеся в более выраженных осеннем максимуме и весеннем минимуме (только по отношению к расчетам по модели [Семенов и Шефов, 1997а]). Кроме того, для зимних месяцев (декабрь-январь) средние величины измеренных интенсивностей эмиссии 557.7 нм значительно превышают модельные значения. По нашему мнению, полученный по экспериментальным данным в ГО ИСЗФ СО РАН сезонный ход эмиссии 557.7 нм лучше соответствует модельным аппроксимациям сезонного хода этой эмиссии, представленных в работе [Фишкова и др., 2000]. Возможно, это связано с тем, что в них, в отличие от работы [Семенов и Шефов, 1997а], учитываются широтные поправки на амплитуды основных гармоник, аппроксимирующих сезонный ход, а также фазу годовой гармоники.
В дальнейшем был проведен дополнительный анализ сезонных вариаций эмиссии 557.7 нм с привлечением более широкого массива экспериментальных данных, для анализа использовались имеющиеся данные ГО ИСЗФ СО РАН за период 1991-1993 и 1997-2007 гг. Общее число дней наблюдения за указанный период составило 939. Средняя за анализируемый период интенсивность эмиссии 557.7 нм по экспериментальным данным ГО ИСЗФ СО РАН составила 288 Рэлей.
Вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм и температуры атмосферы на высотах стратосферы (~ 30 км)
С точки зрения взаимодействия верхней и нижней атмосферы представляет интерес связь вариаций собственного свечения атмосферы и возмущений температуры в зимней стратосфере (стратосферных потеплений). Как уже было сказано выше, во время стратосферных потеплений отмечается увеличение интенсивности эмиссии 557.7 нм, что может быть результатом активизации вертикальной циркуляции атмосферы, достигающей в ряде случаев высот мезосферы и нижней термосферы (область высвечивания атмосферной эмиссии 557.7 нм). В настоящем разделе представлены результаты исследования связи интенсивности эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм с температурой атмосферы на высоте стратосферы —30 км [Медведева и др., 2007].
Анализируемые в настоящем разделе данные были описаны в 3.4; использовались спутниковые температурные данные для изобарической поверхности 10 гПа ( 30 км), эта высота соответствуют уровню наиболее вероятного возникновения и локализации стратосферных потеплений.
Межсуточные вариации значений средней за ночь интенсивности эмиссии 557.7 нм и соответствующие ночным пролетам спутника над исследуемым регионом значения температуры атмосферы на высоте 30 км (10 гПа) за период с августа 2004 по февраль 2007 г. представлены на рис. 3.4.2. Процедура обработки данных проводилась аналогично описанной в разделе 3.4. На рис. 4.2.1 представлены зависимости Л10 от вариаций температуры на высоте 30 км (10 гПа). Экспериментальные данные представлены для всего периода (рис. 4.2.1, а), зимнего (рис. 4.2.1, б) и летнего (рис. 4.2.1, в) периодов. Для исследуемых параметров был проведен регрессионный анализ по методу наименьших квадратов. Из рассматриваемого массива экспериментальных данных для зимы и всего периода установлена прямая линейная регрессия с коэффициентами 6.6 и 7.6 соответственно.
Интересным является вопрос о наблюдаемых корреляциях вариаций IG и температуры в стратосфере, где в зимние месяцы развиваются процессы стратосферных потеплений. Относительно выявленной положительной связи IG и температуры стратосферы на высоте 30 км в зимний период можно сказать следующее.
В данном случае, вероятно, нельзя говорить о прямой зависимости IG от вариаций стратосферной температуры. Анализ температурного режима страто-мезосферы и данных свечения верхней атмосферы в эмиссии 557.7 нм указывает на проявление известного эффекта повышенной зимней изменчивости параметров мезосферы [Гинзбург и др., 1987] в рассматриваемый период. Этот эффект выражается в усилении волновой активности различных временных масштабов в средней и верхней атмосфере и, как правило, сопровождается комплексом явлений - внезапными зимними стратосферными потеплениями, усилением вертикального переноса, турбулентных процессов, нарушением атмосферной циркуляции и др.
Вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм в этом случае можно рассматривать как индикатор того, что в данный временной период в атмосфере распространяется возмущение, которое вызывает вариации температуры на высотах стратосферы и распространяется выше в мезосферу и нижнюю термосферу, т.е. до высот возникновения эмиссии 557.7 нм. В зимний период во время стратосферных потеплений наблюдаются сильные вариации динамического режима в средней атмосфере [Казимировский и Кокоуров, 1979], усиливаются генерация и распространение вверх волновых возмущений различного масштаба, что может приводить к значительным вариациям интенсивности эмиссии 557.7 нм. Летом, когда наблюдается относительно стабильная картина высотного распределения температуры и отсутствуют благоприятные условия для вертикального распространения возмущений снизу, значимая регрессионная связь IG и температуры на высоте 30 км не обнаружена.
Таким образом, проведенный анализ значений средних за ночь интенсивностей эмиссии 557.7 нм и температуры стратосферы на высоте 30 км позволил определить величину положительной регрессионной связи в зимний период, которую можно интерпретировать известным эффектом зимней неустойчивости мезосферы - нижней термосферы, обусловленной усилением атмосферной волновой активности и возможностью формирования благоприятных условий для вертикального распространения возмущений. В летний период значимая регрессионная связь IG с температурой стратосферы на высоте 30 км не выявлена.
Как уже было сказано в 4.1, во время внезапных зимних стратосферных потеплений, которые связывают с планетарными волнами, приводящими к нарушению циркуляции атмосферы и усилению вертикального переноса, отмечается рост интенсивности эмиссии 557.7 нм. В диапазоне высот высвечивания эмиссии 557.7 нм (85-115 км) в средних широтах отмечается появление спорадических слоев Es, которые имеют наибольшую вероятность регистрации в летние месяцы [Шерстюков, Рябченко, 2002]. В некоторых работах отмечается корреляция характеристик эмиссии 557.7 нм и спорадических слоев Es. Например, в работе [Шарадзе и др., 1985] усиление эмиссии 557.7 нм связывали с увеличением электронной концентрации спорадического слоя Es.
Обычно возмущения в вариациях эмиссии 557.7 нм, обусловленные стратосферными потеплениями и образованием спорадических слоев, наблюдаются и исследуются независимо, вероятно из-за существенных различий в их сезонном ходе.
В настоящем разделе представлены результаты наблюдений возмущений эмиссии 557.7 нм, когда одновременно отмечались образование спорадического Е5-слоя и температурные возмущения на высотах стратосферы и мезосферы [Михалев и др., 2007]. Наблюдения относятся к периоду зимнего солнцестояния в декабре 2006 г.
Для анализа были использованы: Данные оптические наблюдений, полученные в ГО ИСЗФ СО РАН. Для исследования использовались фотометрические данные об интенсивности эмиссии 557.7 нм; для регистрации пространственных неоднородностей и волн в свечении атмосферы использовалась CCD-камера ночного неба на основе аппарата Nikon Coolpix 5400 с цветной CCD-матрицей, работающей в цветовом пространстве R-G-B. Блок управления камерой обеспечивал автоматическое включение камеры с интервалом 10 мин в течение всего ночного периода наблюдений. Использовался режим накопления сигнала с временем экспозиции 5 мин и вычитанием шума матрицы с аналогичным временем экспозиции шума 5 мин. Угловое поле зрения CCD-камеры составляло 65х50 соответственно по вертикали и горизонтали. Камера была ориентирована в северном направлении и охватывала зенитные расстояния 10-75.
Данные радиофизических измерений. Характеристики ионосферного спорадического слоя Es были получены с помощью цифрового ионозонда вертикального зондирования DPS-4 [Reinisch et.al., 1997], установленного в Иркутске в декабре 2002 г. Были использованы следующие характеристики слоя Es: f0Es -критическая частота слоя, определяющая максимальную электронную концентрацию в слое NmEs(cM ) = [ґоЕ5(МГц)]2/8,06; Es - высота слоя; PES - наблюдаемость ночного слоя Es, т.е. отношения числа регистрации спорадического слоя к полному числу наблюдений в течение ночи.
