АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 1, с. 54-65
УДК 551.511.001.24:006.354
АНАЛИЗ ПО ДАННЫМ АКСЕЛЕРОМЕТРА ВАРИАЦИЙ ПЛОТНОСТИ ТЕРМОСФЕРЫ, НЕ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ В СОВРЕМЕННЫХ МОДЕЛЯХ АТМОСФЕРЫ
© 2008 г. И. И. Волков*, А. И. Семенов**, В. В. Суевалов*
*4-й Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны **Институт физики атмосферы РАН им А.М. Обухова, Москва Поступила в редакцию 15.05.2007 г.
По данным измерения плотности атмосферы микроакселерометром CACTUS на высотах 270-600 км проведена оценка точности при представлении плотности и ее пространственно-временнЫ х вариаций моделью атмосферы NRLMSISE-00 в минимуме солнечной активности. Полученные оценки погрешностей модели значительно (в 2-3 раза) превышают погрешности, полученные по данным о торможении ИСЗ в атмосфере в минимумах солнечной активности. По измерениям плотности микроакселерометром исследованы короткопериодические (внутри витка) пространственно-временные вариации плотности. По данным анализа изменения плотности внутри витка выявлены континентальный и орографический эффекты в короткопериодических изменениях плотности. Оценка амплитуды континентального и орографического эффектов составляет от 10%-15% для высоты 270 км и до 40% для высоты 600 км.
PACS: 92.60.hh
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных причин, препятствующих достижению необходимой высокой точности определения и прогнозирования движения низкоорбитальных ИСЗ, является значительный уровень погрешностей моделей плотности верхней атмосферы. Как отмечено в работе (Уш^оу и др., 2004), "... даже современные модели атмосферы имеют погрешности порядка 10%-15% в спокойных и 30%-60% в сильно возмущенных условиях. Это положение фактически не менялось в течение последних 30 лет".
Значительные погрешности моделей атмосферы вызваны, прежде всего:
- сложностью выявления и учета всего многообразия физических и химических процессов, происходящих в верхней атмосфере Земли под воздействием различных энергетических источников, среди которых излучение Солнца является основным;
- использованием индексов солнечной активности, не в полной мере отражающих энергетический вклад излучения Солнца в динамику атмосферы Земли;
- преобладанием в информации, используемой для построения и уточнения параметров моделей атмосферы, данных с низкой разрешающей способностью.
В работе (Эльясберг, 1983) показано, что для заметного повышения точности модели термосферы необходима существенная модернизация всего подхода к построению модели, в том числе
за счет широкого использования измерений акселерометров и масс-спектрометров, а также перехода от индекса солнечной активности ^107 (поток радиоизлучения Солнца на волне 10.7 см) к индексу, характеризующему излучение в рентгеновском и ультрафиолетовом (практически полностью поглощаемое атмосферой Земли) диапазонах. В настоящее время в рамках программы 80ЬЛК2000 предложен новый индекс, названный по аналогии с ^107 индексом £107, проводится тестирование еще нескольких новых индексов.
За последние десятилетия в результате исследований различных процессов в земной атмосфере стало очевидно, что верхняя атмосфера достаточно чутко реагирует на воздействие солнечного ультрафиолетового и корпускулярного излучений, отображает в своем динамическом поведении события, происходящие в приземных и средних слоях атмосферы. Пространственно-временное распределение нейтральных и ионизованных составляющих верхней атмосферы испытывает активное воздействие приземных динамических процессов, порождающих волновые возмущения.
Распространение волн в более разреженные верхние слои атмосферы сопровождается увеличением их амплитуды, в результате чего вариации температуры, давления и плотности становятся существенными на высотах мезопаузы и термосферы.
Если первоначально влияние метеорологических процессов нижней атмосферы на верхнюю только угадывалось, то в последнее время эти ис-
следования уже перешли на уровень широких международных проектов, в которых исследуются многочисленные связи между различными областями высот и делаются попытки построения моделей этих явлений (Данилов и др., 1987; Раки-пова, Ефимова, 1975; Тарасенко, 1988) на основе совокупности данных глобальных измерений.
Теоретическому и экспериментальному изучению процессов генерации горных подветренных волн при взаимодействии воздушных потоков с горными хребтами и отдельными горами и их проникновения до уровня стратосферы было посвящено множество работ (Обухов, 1949; 1988; Мусаелян, 1962; Бланк, 1980; Tzur и др., 1985), из которых следовала возможность орографически обусловленного притока энергии в верхнюю атмосферу. В работах (Семенов и др., 1981; Шефов и др., 1983) рассматривались стационарные относительно Земли волны, возникающие в подветренной области в потоке воздуха, обтекающего препятствие. Первые целевые исследования орографического эффекта в верхней атмосфере были проведены путем спектрографических измерений эмиссии гидроксила на самолете при полетах вблизи Северного Урала на широте около 64°с.ш. (Семенов и др., 1981; Шефов и др., 1983). Проведенные эксперименты позволили обнаружить, что в подветренной области хребта существует систематическое увеличение температуры в ме-зопаузе по сравнению с наветренной областью. Размер области возмущения составляет около 200 км. Величина приращения температуры в максимуме этой области достигает 10-15 K на расстоянии от горного хребта около 100-150 км. Эти параметры коррелируют со скоростью ветра в тропосфере на высоте около 3 км (высота полета самолета).
Наблюдаемое увеличение температуры в подветренной области гор обнаруживается и по эмиссии атомарного кислорода 630 нм на высотах около 300 км. Это было выявлено по интерферометриче-ским измерениям вблизи горных хребтов Кавказа и Анд. Превышение температуры в подветренной области составляло в первом случае ~200 К, во втором - 200-500 К по сравнению с наветренными областями гор (Шефов, 1985; Meriwether, 1996).
Отображения в верхней атмосфере различных процессов взаимодействия нижней атмосферы с рельефом поверхности Земли, по-видимому, могут быть обусловлены разнообразными явлениями, в результате которых образуются неоднородности структуры поля температуры и плотности на высотах мезопаузы и термосферы. Кроме генерации волн воздушными нестационарными потоками вблизи неоднородностей земного рельефа, горы могут обусловить рассеяние волн различных типов. Разрушение приливных волн в океане вблизи береговой линии горных хребтов (например, в Скандинавии) может создавать атмосферные возмущения, передаваемые вверх (Каган, Шкутова,
1985; Марчук, Каган, 1977) и проявляющие себя в верхней атмосфере даже на большом удалении от гор (Семенов, 1987).
Первые экспериментальные свидетельства воздействия рельефа земной поверхности на характеристики верхней атмосферы были получены по данным измерений в 1940-х годах, когда в работе (Кессених, Булатов, 1944) было обнаружено существование континентального эффекта в географическом распределении электронной концентрации области F2 (увеличение в зимнее время). Первые спутниковые измерения в дальнейшем выявили тенденцию увеличения плотности атмосферы над континентами (De Vries, 1972; Казимировский, Матафонов, 1998).
Для изучения и анализа характера простран-ственно-временшго распределения в более высоких слоях термосферы выявленных в нижней термосфере изменений атмосферных параметров и, в том числе, плотности атмосферы предпочтительным является использование данных измерения плотности спутниковыми микроакселерометрами с высоким разрешением по времени и в пространстве.
В настоящей работе приведены анализ и оценка короткопериодических пространственно-временных вариаций плотности атмосферы по измерениям микроакселерометра, не представленных в современных моделях атмосферы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Для исследования короткопериодических вариаций плотности атмосферы были использованы измерения, выполненные микроакселерометром CACTUS во втором полугодии 1975 г. Измерения плотности проведены с высоким временны м (~10 с) и пространственным (~5 км по высоте, ~0.5° по широте и долготе) разрешением в диапазоне высот 270-600 км (район перигея ИСЗ Castor, на котором был установлен микроакселерометр). Погрешность измерения плотности в этом диапазоне высот не превышала 10% (Сехнал и др., 1985). Ранее эти измерения использовались для оценки пространственно-временных вариаций плотности атмосферы (Илл и др., 1988), уточнения модели плотности атмосферы (Волков, Панкратьев, 1990) и оценки лунных и солнечных приливов в термосфере (Волков, Суевалов, 2006).
За исследуемый период амплитуда изменения минимальной высоты полета ИСЗ Castor под влиянием сжатия Земли составляла около 8 км, линия апсид совершила четыре полных оборота. Вековое уменьшение минимальной высоты под влиянием сопротивления атмосферы составило за 6 месяцев около 1 км, а уменьшение периода обращения и максимальной высоты - более 30 с и 60 км соответственно. На рис. 1 показано изменение за второе полугодие 1975 г. трехчасового ин-
Индексы солнечной активности во второй половине 1975 г. 125
100 -
75 ^
50 -
25
330 360
День от начала 1975 г.
Рис. 1. Индексы солнечной активности во второй половине 1975 г.
декса геомагнитной возмущенности а„, индексов солнечной активности - ежедневного г107 и средневзвешенных индексов вычисленных в соответствии с ГОСТ Р 25645.166-2004 и ККБМ818Б-00. Как следует из данных этого рисунка, за рассматриваемый период значения индекса ^10.7 изменялись в диапазоне 70-125, наблюдалось прохождение по диску Солнца нескольких активных областей. Геомагнитная обстановка в рассматриваемый период была достаточно возмущенной для минимума солнечной активности. Индекс ар превысил уровень 25 единиц (границу спокойных и возмущенных геомагнитных условий) в 187 случаях.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Сравнение данных измерения плотности микроакселерометром с модельными значениями плотности
На первом этапе обработки экспериментальных данных была проведена оценка точности описания плотности и ее пространственно-временных вариаций м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.