Исследование вариаций инфракрасного излучения молекулярного кислорода мезосферы Земли

Собственное излучение верхней атмосферы Земли активно стало исследоваться с начала 1950;х годов. И сразу же подтвердились предположения, что оно является информативным и чувствительным индикатором состояния средней и верхней атмосферы. Наблюдаемые вариации параметров собственного излучения, обусловленные воздействием солнечной активности, также позволили обнаружить много новых процессов взаимосвязи атмосферных явлений с различными процессами в космическом пространстве. Накопленные за 60 лет наблюдений спектральные характеристики (и их вариации) различных эмиссий верхней атмосферы, позволили выявить ряд новых геофизических явлений в земной атмосфере — распространение волн различного временного масштаба из нижних слоев атмосферы в верхние, многолетнее охлаждение средней и верхней атмосферы, отклик на периодические вариации солнечной активности и т. д. Анализ собственных и опубликованных данных измерений обеспечил обнаружение различных закономерностей вариаций состояния земной атмосферы на различных высотах от 80 км до нескольких десятков тысяч километров. К настоящему времени появились более совершенные средства регистрации эмиссий средней и верхней атмосферы, что позволяет проводит более тонкие исследования в системе солнечно-земных связей для выявления новых ранее не изученных свойств земной атмосферы.

Актуальность работы.

Известно, что в средней атмосфере на высотах мезосферы и нижней термосферы (50−100 км), локализовано большое число излучающих слоев различных газовых компонентов: молекулы гидроксила (0.6−4.5 мкм, 87 км), молекулы кислорода (Атмосферная система — полоса (0−1) 854.5 нм, 92 км), (Инфракрасная Атмосферная система — полосы (0−0) 1.27 мкм и (0−1) 1.58 мкм, (40−100 км)), атомы натрия — эмиссия 589.3 нм (93 км), атомы кислородаэмиссия 557.7 нм (97 км). Благодаря многолетним исследованиям собственного излучения верхней атмосферы получены сведения о закономерностях поведения характеристик, как самих этих эмиссий, так и областей атмосферы, в которых возникают эти излучения.

Однако, изученность свойств Инфракрасной Атмосферной системы молекулярного кислорода (ИКАОч) оказалась не совсем полной. Во многом, это связано с экспериментальными трудностями оптических измерений в длинноволновой инфракрасной области спектра. В то же время, изучения характеристик этой эмиссии представляется крайне важным, так как процессы ее возникновения на высотах средней атмосферы, непосредственно связаны с одной и из наиболее химически активных молекул — озон. Поэтому знания о параметрах этой эмиссии, а также о кинетике фотохимических процессов ее возникновения, дает непосредственную возможность исследования этого важного химически активного атмосферного компонента в широком диапазоне высот средней атмосферы, то есть там, где традиционные методы исследований этого сделать не могут. Начатые в Канаде измерения ИКА02, преимущественно при помощи приборов, установленных на ракетах, шарах-зондах, высотных самолетах, а также частично наземными методами, позволили получить сведения о вариациях ее интенсивности в течение дневного и сумеречного времени суток (из-за недостаточной чувствительности применяемых в то время приемников излучения измерения проводились до зенитного угла Солнца 97°), оценить интенсивность, которая в дневное время достигает 60 мегарэлей, определить высотное распределение интенсивности для указанных условий. На основе полученных данные выполнялись теоретические расчеты для объяснения наблюдаемых вариаций характеристик.

Однако, полной систематизации полученных результатов измерений с целью получения аналитических выражений, описывающих статистические закономерности вариаций интенсивности излучения ИКА02 для различных гелио-геофизических условий, позволяющих производить оценку параметров излучающего слоя и ожидаемых интенсивностей практически сделано не было. Недостатком теоретических расчетов первоначального периода исследований было использование атмосферных моделей, в которых не учитывалось много факторов, таких как временные вариации состава, температуры, и их зависимости от различных геофизических условий — влияние солнечной активности, многолетних климатических изменений и т. д.

За последние десятилетия для многих атмосферных эмиссий, возникающих на высотах выше 80 км, были разработаны эмпирические модели, описывающие зависимости их различных параметров от разнообразных воздействий на верхнюю атмосферу — солнечная и геомагнитная активности, локальные и глобальные динамические процессы, происходящие под влиянием широкого класса волновых явлений. Отсутствие систематизации результатов эпизодических измерений Инфракрасной Атмосферной системы молекулярного кислорода, охватывающей высотный диапазон 40−100 км, составляло значимый пробел в исследованиях верхней части мезосферы и нижней термосферы.

В последние несколько лет в Лаборатории физики верхней атмосферы Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН на Звенигородской научной станции для регистрации собственного излучения атмосферы стали использоваться современные матричные приемники инфракрасного излучения, обладающие высокой чувствительностью. Это позволило проводить в ночных условиях (зенитные углы Солнца от 90 до 150°) регулярные наземные спектрографические измерения в ранее недоступной области спектра (1.0−1.7 мкм).

Накопленные на станции Звенигород наземные данные регулярных измерений поведения интенсивности излучения ИКАОг, а также использование опубликованных результатов предшествующих зарубежных измерений вариаций интенсивности эмиссий 1.27 мкм и 1.58 мкм, были впервые систематизированы и применены для получения сведений о вариациях характеристик мезосферы и нижней термосферы для различных гелио-геофизических условий. Получение этих сведений и обусловливало актуальность таких исследований.

Цель исследований.

Задача выполненных исследований состояла в том, чтобы на основе найденных в опубликованных различных работах разрозненных данных о параметрах излучения ИКА02, полученных в основном при помощи самолетов, баллонов, ракет, а также наземных приборов, и использования собственных данных регулярных наземных измерений ИКАОг при помощи новейших приемников излучения, систематизировать все данные и на их основе получить сведения о вариациях параметров этого излучения, позволяющих исследовать изменения различного временного масштаба характеристик атмосферы на высотах мезосферы и нижней термосферы.

Достижение поставленной цели потребовало решение следующих задач:

1. Разработать и изготовить комплекс спектрографической аппаратуры, обеспечивающей одновременную регистрацию в ИК диапазонах колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила и эмиссий ИКАОг (1.27 мкм и 1.58 мкм) в сумеречном и ночном собственном свечении верхней атмосферы.

2. Проведение одновременных измерений в нескольких участках спектра, позволяющих охватить необходимые для анализа эмиссии ОН и 02. Наблюдения должны были выполняться в течение различных сезонов года.

3. Накопление и систематизация экспериментальных данных о характеристиках эмиссий ИКАСЬ.

4. Анализ полученных данных с целью выявления вариаций различного временного масштаба характеристик Инфракрасной Атмосферной системы (суточные с временным разрешением 1 минута в сумеречное и ночное время суток, сезонные вариации параметров эмиссий для различных зенитных углов Солнца). Разработка эмпирических моделей вариаций параметров излучения ИКАОг в течение суток, сезонов, отображающих влияние географической широты, многолетних изменений, уровня солнечной активности и геомагнитных возмущений, и взаимосвязь полученных данных с другими характеристиками средней атмосферы.

Научная новизна и основные результаты работы.

Проведенные исследования позволили выявить сложный комплекс фотохимических процессов, регулирующих поведения эмиссии ИКА02, характеризующей состояние атмосферы в области высот 40−100 км. На этой основе разработаны эмпирические модели вариаций следующих характеристик излучающего слоя ИКАОг:

1. Эмпирическая модель вариаций интенсивности излучения ИКАОг в диапазоне зенитных углов Солнца 0 — 180°, включающая вариации в течение суток, сезонов года, в том числе для конкретных зенитных углов Солнца, поскольку они характеризуют соответствующие свойства атмосферы на заданных высотах средней атмосферы.

2. Эмпирическая модель вариаций температуры атмосферы (на высотах излучающих слоев ИКАСЬ) для суточных (сумеречных) и сезонных условий. Для рассматриваемой эмиссии модель создана впервые.

3. Эмпирическая модель вариаций характеристик высотного распределения интенсивности эмиссии ИКА02, которая совместно с двумя предыдущими моделями позволяет по результатам наземных измерений интенсивности излучения делать выводы о свойствах и состоянии мезосферы.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась абсолютной калибровкой измеренных интенсивностей излучения ИКА02 с точностью ~ 1%, большим объемом материалов наблюдений и использованием стандартных методов статистической обработки результатов измерений.

Практическая значимость.

Результаты проведенных исследований были применены для определения ряда структурных параметров средней атмосферы, а также при разработке эмпирических моделей вариаций интенсивности и высотных распределений температуры и плотности. Они могут быть использованы для уточнения некоторых деталей механизмов возникновения и режима существования молекул озона и связанного с ним гидроксильного излучения, излучающего в том же диапазоне высот.

На защиту выносятся.

1. Изготовление комплекса спектрографической аппаратуры, обеспечивающий регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила и кислорода в ночном собственном свечении верхней атмосферы области спектра 1.0−1.7 мкм Он позволяет проводить одновременные измерения нескольких колебательно-вращательных полос молекул ОН и 02.

2. Эмпирическая модель вариаций интенсивности излучения ИКАОг в диапазоне зенитных углов Солнца 0 — 180°, включающая вариации в течение суток, сезонов года, в том числе для конкретных зенитных углов Солнца, поскольку они характеризуют соответствующие свойства атмосферы на заданных высотах средней атмосферы. Впервые выявлен многолетний отрицательный тренд интенсивности — 1.5% / год (зенитный угол Солнца 100°, высота максимума излучающего слоя 70 км), получены зависимости от географической широты, уровней солнечной и геомагнитной активности.

3. Эмпирическая модель вариаций температуры атмосферы на высотах 40−100 км (по измерениям в ночное время суток для зенитных углов Солнца 90−150°) для различных гелио-геофизических условий, которая была создана впервые для рассматриваемой эмиссии средней атмосферы.

4. Эмпирическая модель вариаций характеристик высотного распределения эмиссии ИКАОг, связь которой с двумя предыдущими независимыми моделями позволяет по результатам наземных измерений интенсивности излучения делать выводы о свойствах и состоянии мезосферы, в том числе о содержании озона на высотах 40−100 км.

Личный вклад.

Работа выполнялась в течение 2009 — 2012 г. г. в ходе проведения плановых работ Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова Российской академии наук (ИФА им. А. М. Обухова РАН). Автором проведены комплексные спектрографические наблюдения на Звенигородской научной станции ИФА РАН. Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии. Автор принимал прямое участие в обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Апробация результатов.

Результаты исследований докладывались на симпозиумах и конференциях:

34-й Апатитский семинар «Авроральные явления» (Апатиты, 2−4 марта 2011 г.), Полярный Геофизический Институт Кольского филиала РАНМеждународном Симпозиуме Атмосферная Радиация и Динамика (С.Петербург, 21−24 июня 2011 г.) — 39-я Конференция «Ежегодные Европейские Симпозиумы по Оптическим Исследованиям Атмосферы» (Польша, Сопот, 20−24 августа 2012 г.) — семинары в Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН и на Кафедре физики атмосферы МГУ им. М. В. Ломоносова.

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 6 в журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 151 страницу машинописного текста, включая 63 рисунка и 21 таблицу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Итогом настоящей работы явились следующие результаты: 1. Разработан и введен в действие комплекс спектрофотометрической аппаратуры на базе инфракрасного спектрографа СП-50 и согласованного с ним линейного инфракрасного приемника излучения на ПЗС структурах для автоматической регистрации спектров излучения Инфракрасной Атмосферной системы молекулярного кислорода a’AgX3I~ (1.27 и 1.58 мкм).

2. В течение 2009 — 2011 гг. на Звенигородской научной станции ИФА им. A.M. Обухова РАН проведены регулярные наземные спектрофотометрические измерения спектров Инфракрасной Атмосферной системы молекулярного кислорода в области 1.2 — 1.6 мкм. Накоплен материал измерений интенсивности и температуры эмиссии 1.58 мкм с экспозициями 1 мин в течение сумеречных и ночных условий для зенитных углов Солнца вечерние сумерки 90° - полночь — 90° утренние сумерки.

3. Собраны и систематизированы данные спутниковых, ракетных, баллонных, самолетных и наземных измерений интенсивности эмиссий 1.27 мкм и 1.58 мкм, выполненных в Канаде, США, Бразилии и Японии в течение периода 1957 — 1986 гг. для дневных и сумеречных условий для зенитных углов Солнца утренние сумерки 97° - полдень — 97° вечерние сумерки.

4. Проведен статистический анализ всего массива полученных данных. Получены эмпирические аналитические закономерности вариаций интенсивности, для различных зенитных углов Солнца в течение суток, в зависимости от сезонов года, географической широты, уровня солнечной и геомагнитной активности. Сделаны оценки многолетних изменений интенсивности в течение периода 1960;2011 гг.

5. Анализ опубликованных результатов, связанных с измерениями высотного распределения объемной интенсивности эмиссии 1.27 мкм за период 1966;2002 гг. дал возможность выявить статистические закономерности вариаций параметров излучающего слоя (высота и объемная интенсивность максимума излучающего слоя, его полуширина и асимметрия) в зависимости от зенитного угла Солнца для вечерних и утренних условий. Получены аппроксимации их вариаций.

6. В результате впервые в мире проведенных измерений вращательной температуры полосы (0−1) 1.58 мкм ИКА02 получены закономерности ее вариаций в ночной период суток для различных месяцев года. На основе данных о вариациях высоты слоя и спутниковых данных о высотных профилях температуры средней атмосферы выявлено хорошее совпадение измеренных вариаций температуры для различных месяцев года с температурами средней атмосферы на соответствующих высотах излучающего слоя.

7. Выявлена высокая степень корреляции суточных вариаций температуры и логарифма интенсивности эмиссии 1.58 мкм. Получены аналитические формулы сезонных вариаций их регрессионной зависимости.

8. В итоге проведенных исследований эмиссии Инфракрасной Атмосферной системы молекулярного кислорода впервые разработана эмпирическая модель вариаций ее параметров — интенсивности, высоты излучающего слоя и температуры средней атмосферы на высотах 40−100 км — от зенитного угла Солнца в течение суток, сезонов года. Выявлены многолетний отрицательный тренд интенсивности, зависимость от солнечной и геомагнитной активности. Эти данные являются основой определения содержания озона средней атмосферы на высотах 40−100 км.

9. На основе полученной эмпирической модели вариаций параметров эмиссии ИКА02 выполнен расчет высотного распределения содержания озона мезосферы в сумеречный период.

В заключение считаю своим долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю А. И Семенову за полезные советы и внимание, руководству Института за предоставленную возможность работы над темой, коллективу Лаборатории за постоянную помощь и поддержку в проведении наблюдений.