ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2012, том 52, № 3, с. 291-312
УДК 550.385
ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ТРЕНДЫ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ
И ИОНОСФЕРЕ (обзор) © 2012 г. А. Д. Данилов
ФГБУИнститут прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова Росгидромета, г. Москва
e-mail: adanilov99@mail.ru Поступила в редакцию 10.11.2011 г.
Рассмотрены современные взгляды на долговременные изменения параметров (тренды) верхней атмосферы и ионосферы. Описана концепция охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы из-за увеличения в атмосфере количества парниковых газов.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие резко возрос интерес к проблеме долговременных трендов в средней и верхней атмосфере и ионосфере. В 2008 г. группой ученых во главе с Я. Ластовичкой [Ьа^оу^ка й а1., 2008] была сформулирована и обоснована концепция охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы, к которой мы подробнее вернемся ниже. Сейчас отметим только, что интерес к проблеме трендов в верхних слоях атмосферы вызван, на наш взгляд, двумя основными причинами. Во-первых, наличие изменений в различных параметрах этих слоев, вызванных, как показывают современные сложные модели, увеличением парниковых газов в атмосфере, является подтверждением того, что рост этих газов действительно происходит и влияет не только на нижние атмосферные слои (тропосфера), но и на всю толщу атмосферы в целом. Во-вторых, изучение трендов параметров верхней атмосферы и ионосферы как на основе имеющихся экспериментальных данных, так и на основе сложных современных моделей, позволяет оценить масштабы изменений таких важных в прикладном плане параметров, как плотность верхней атмосферы или электронная концентрация в ионосферных слоях. Очевидно, что, если изменения этих (и других) важных параметров будут продолжаться, рано или поздно эти изменения придется учитывать при решении прикладных вопросов движения низкоорбитальных спутников, входа в атмосферу спускаемых космических аппаратов, радиосвязи, радионавигации и др. И если пока, как будет показано в этой статье, изменения плотности и электронной концентрации в максимуме ионосферной области Ш относительно невелики, и речь об их учете в прикладных задачах пока не идет, то уменьшение электронной концентрации в верхней части этой области уже сейчас может влиять на точность определения местоположения с помощью радионавигационных систем, для ко-
торых знание количества электронов в столбе ионосферы на пути радиолуча требуется с очень высокой точностью.
Хотя история изучения рассматриваемой проблемы насчитывает всего два десятилетия, в ней уже было много неожиданностей, поворотов сюжета, ошибочных заключений и возвращений к первоначальным воззрениям. По некоторым аспектам проблемы (например, по поиску трендов параметров максимума слоя F2 или трендов параметров температуры в мезосфере) литература уже столь обширна, что потребовалась бы специальная обзорная статья, чтобы охватить все соответствующие публикации. Это выходит за рамки данной статьи. Мы постараемся здесь дать картину современного взгляда на проблему, отметив лишь некоторые вопросы, связанные с первым периодом исследований в 90-х гг. прошлого века.
2. НЕМНОГО ИСТОРИИ
Началом "эры" изучения долговременных трендов верхней атмосферы и ионосферы принято считать появление работ [Roble and Dickinson, 1989; Rishbeth and Roble, 1992], которые на основании модельных расчетов предсказали изменения параметров термосферы и ионосферы за счет увеличения количества двуокиси углерода в атмосфере, вызывающего в тропосфере хорошо теперь известный парниковый эффект.
Парниковые газы (и прежде всего — СО2) в средней и верхней атмосфере участвуют в процессах охлаждения атмосферного газа (через возбуждение колебательных уровней молекулы СО2 и последующее излучение инфракрасной эмиссии в пространство), а потому увеличение количества углекислого газа в атмосфере (напомним, что до высоты гомопаузы на ~120 км атмосфера перемешана, поэтому рост [CO2] происходит во всей толще атмосферы) приводит к ее охлаждению. На охлаждение атмосферы влияют и другие малые
составляющие атмосферы, например СН4 или озон. Уменьшение концентрации последнего в 80—90 гг. прошлого века широко известно. Мы еще вернемся к этому вопросу ниже.
Концепция охлаждения и оседания (cooling and contraction) верхней атмосферы как она обсуждается сейчас в мировой научной литературе была сформулирована в статье [LastoviCka et al., 2008]. Однако, за десять лет до этого концепция с точно таким же названием "Оседание и охлаждение верхней атмосферы" была предложена группой российских ученых под руководством акад. Г.С. Голицина. Был проведен даже специальный семинар под таким же названием [Охлаждение и оседание, 1998] с приглашением нескольких иностранных гостей. Однако выяснилось, что предложенная концепция базировалась на ошибочных данных. Данные по температурным трендам, полученным на основании наблюдения атмосферных эмиссий [Golitsyn et al., 1996; Семенов, 1996] были сильно (почти на порядок) завышены. Данные измерений температуры на метеорологических ракетах, (банк которых в ЦАО Росгидромета был весьма обширен) [Kokin and Lysenko, 1994; Кокин и др., 1990], как оказалось позже, нельзя было использовать выше 50 км из-за того, что в разные периоды вносились различные поправки в исходные данные для получения величин Т. Интерпретация полученных в работе [Гивишвили и Лещенко, 1993] трендов критической частоты слоя Е была ошибочной, хотя сами тренды имели правильный знак (рост foE). В результате — концепция не была принята научной общественностью, и вопрос о трендах параметров верхней атмосферы и ионосферы в 90-х гг. многими известными учеными воспринимался скептически. Однако отдельные группы исследователей продолжали поиски массивов экспеиментальных данных, которые позволили бы выделить долговременные тренды тех или иных параметров.
Здесь стоит пояснить само понятие "тренд", которое будет часто использоваться в этой статье. Под трендом понимают долговременные и направленные в одну сторону изменения того или другого параметра за период, превосходящий длину одного (а лучше — двух из-за существования 22-летних вариаций) 11-летнего солнечного цикла. Иногда период, на котором выражен тренд, короче 11-ти лет, но зависимость от солнечной активности из данных уже устранена (такие примеры будут приводиться ниже). В этом случае систематическое изменение также рассматривается как тренд.
Взгляды на тренды некоторых параметров, а также их природу существенно менялись в течение последних 20-ти лет. Наиболее ярким примером (которым мы и ограничимся) может служить история с трендами серебристых облаков. Из-
вестно, что для образования серебристых облаков необходима низкая температура на высоте ~ 82 км и достаточное количество паров воды. В работах [Gadsden, 1997, 1998] была проанализирована частота и южная граница появления серебристых облаков согласно визуальным наблюдениям с поверхности Земли. Было получено, что оба параметра существенно возросли за 31 год наблюдений. Это явилось в середине 90-х гг. серьезной поддержкой концепции охлаждения мезосферы и роста в ней количества паров воды.
Однако детальный анализ данных наземных наблюдений [Kirkwood and Stebel, 2003] не подтвердил эти выводы и привел к заключению, что надежных трендов этих параметров нет. Одновременно серии ракетных измерений температуры верхней мезосферы авроральной области [Lubken, 2000] не дали никаких заметных изменений высотного профиля Т за два десятилетия. Таким образом, серебристые облака выпали из списка параметров, подтверждающих охлаждение средней атмосферы.
Уже в новом тысячелетии было обнаружено, что явление PMC (полярные мезосферные облака), наблюдаемое со спутников, и явление NLC (серебристые облака), наблюдаемое с Земли, представляют собой одно и то же явление. Но PMC согласно надежным спутниковым измерениям демонстрируют положительный тренд частоты и южной границы их наблюдения [DeLand et al., 2007]. Казалось бы, то же должно быть справедливо и для NLC. Однако и более поздний анализ наземных наблюдений серебристых облаков [Kirkwood et al., 2008] не дал статистически значимых трендов их интенсивности или частоты появления. Согласно сегодняшним воззрениям [LastoviCka, 2009] тренды PMC и NLC очень малы и могут даже иметь противоположные знаки за счет того, что области наземных визуальных наблюдений NLC и спутниковых наблюдений PMC не полностью совпадают в пространстве.
В этой статье мы рассмотрим концепцию охлаждения и оседания верхней атмосферы как она была сформулирована в исходной статье [LastoviCka et al., 2008], опишем результаты подхода к анализу трендов ионосферных параметров, развиваемого автором, и затем опишем результаты последних лет, подтверждающие правильность указанной концепции, а также остановимся на некоторых проблемах, все еще остающихся нерешенными.
3. КОНЦЕПЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ОСЕДАНИЯ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
Концепция охлаждения и оседания верхней атмосферы как она была сформулирована в рабо-
те [LastoviCka et al., 2008], базировалась на следующих группах данных:
— уменьшение температуры средней атмосферы;
— изменения характеристик самой нижней части ионосферы — области D;
— увеличение критической частоты ионосферного слоя Е, foE;
— уменьшение высоты этого слоя, hmE;
— увеличение критической частоты ионосферного слоя F1;
— уменьшение плотности термосферного газа на высотах полетов спутников.
Схематически эти данные представлены на рис. 1, взятом из работы [LastoviCka et al., 2008].
Рассмотрим эти данные подробнее. Данные о температуре средней атмосферы получают на основании различных типов наблюдений. Это — прямые измерения на метеорологических ракетах, ли-дарные измерения, наблюдения атмосферных эмиссий (прежде всего — ОН), дистанционные спутниковые измерения. Первый детальный анализ всей совокупности этих измерений был представлен Бейгом [Beig, 2002]. Он показал, что, хотя имеются противоречия и несоответствия между отдельными группами данных, удается построить общую картину уменьшения температуры средней атмосферы на разных высотах. В более поздней работе большой
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.