УДК 550.388
ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАРИАЦИЙ ЭМИССИИ КОНТИНУУМА ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ. 3. ВЫСОТА ИЗЛУЧАЮЩЕГО СЛОЯ
© 2015 г. А. И. Семенов1, Н. Н. Шефов1, И. В. Медведева2
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва 2Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск e-mails: anasemenov@yandex.ru; nikoshefov@yandex.ru; ivmed@iszk.irk.ru Поступила в редакцию 14.01.2015 г.
На основе данных ракетных и спутниковых измерений излучения континуума верхней атмосферы в видимой области спектра выявлены особенности и вариации высотного распределения его объемной интенсивности для различных гелиогеофизических условий. Показано, что основной интервал высот излучающего слоя континуума, обусловленного процессом NO + O, находится на 80—110 км. В случае излучения, возникновение которого связано с процессами взаимодействия молекул окиси азота с молекулами озона в возбужденном и невозбужденном состояниях, его излучающий слой охватывает всю среднюю атмосферу выше тропосферы.
DOI: 10.7868/S0016794015030177
1. ВВЕДЕНИЕ
Сведения о высотном распределении интенсивности эмиссии континуума основаны на ракетных и спутниковых измерениях, проводившихся в различных регионах земного шара.
Для выяснения природы континуума неоднократно выполнялись ракетные измерения высотных распределений. Для этого использовались измерения интенсивности эмиссий в видимой области спектра, преимущественно вблизи 530 нм. Из них следует, что максимум объемной интенсивности эмиссии континуума расположен вблизи высотного уровня 100 км, а весь диапазон высот излучающего слоя составляет от 70 до 130 км. Следует отметить, что наряду с основным максимумом в высотном распределении эмиссии в ряде случаев наблюдаются и вторичные максимумы в нижней (а иногда и в верхней) части основного слоя излучения. Такое высотное распределение наблюдалось и при измерениях с борта космического корабля "Мир" [Гурвич и др., 2002]. Однако, поскольку такие зарегистрированные неоднородности в высотном распределении объемной интенсивности не являлись регулярными при проведении подобных измерений, то можно предположить, что, скорее всего, они могут являться следствием погрешностей измерений, либо возникнуть в результате некорректности измерений, вызванной за счет изменения ориентации линии визирования фотометра во время движения и при вращении ракеты. Это особенно может проявиться при больших зенитных углах линии визирования приборов. Также при измерениях со спутников необходимо учитывать возможные вариации характеристик собственного излучения,
которые могут быть вызваны воздействием широкого спектра волн, возникающих на поверхности Земли в результате орографического эффекта [Шефов и др., 2006; 8ешепоу й а1., 2012]. Данные опубликованных ракетных и спутниковых измерений высоты излучающего слоя эмиссии континуума, используемых в данной работе, представлены в таблице.
В настоящей работе представлено исследование особенностей и высотного распределения объемной интенсивности континуума в видимой области спектра для различных гелиогеофизиче-ских условий.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования эмиссий континуума верхней атмосферы были начаты с середины прошлого столетия и осуществлялись в основном по данным спектрофотометрических-измерений, проводимых как с земной поверхности, так и при помощи ракет и спутников. К сожалению, количество опубликованных данных о результатах выполненных измерений невелико. Более того, не все они содержат необходимые сведения о геофизических условиях, сопровождавших измерения интенсивности излучения. Ракетные измерения высотного профиля континуума проводились преимущественно в коротковолновой части спектра, практически только в спектральном участке ~530 нм. Результаты анализа спектрального состава континуума и закономерностей его пространственно-временных вариаций, выполненного на основе статистической систематизации имеющихся опубликованных данных, рас-
Автор оо 00 СЛ 6 00 VoED 00 СЛ , 6 . „ 00 ЧО СЛ 00 i СЛ , CN 0 0 CN CN 0 0 CN CN 0 0 CN CN 0 0 CN CN 0 0 CN 00 6 СЛ 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 00 -6 13 СЛ кй ^ 0 6 сл 6 5 СЛ 6 9 13 6 9 9 13 9 9 9 al et Greer and Best, 1967
сл 13 tú 1 a u o 13 a Q o s , 1 a 13 ^ ^ (U O 13 tu Q So üS , 1 a 13 ^ ^ (U O 13 tu Q So üS р. д и F и в р ft р. д и F и в р ft р. д и и в р ft р. д и и в р ft р. д и ^ и в Sä ce o (í o r r a ft ГУ1 р. д и ^ и в р ¿í р. д и ^ и в р ft р. д и и в р éí р. д и ^ и в р ft р. д и ^ и в р éí 13 Й r s, ^ ft M 3 ao PQ T3 13 et rg e B ce et n e ^ o o Tousey, 1958 et ta at h u r u Я et hi s a h a y n ig 'ís S n o >
.5 .1
Я << 0 5 CN d 5 0 5 5 ^ 5 ^ 5 ^ 5 ^ 5 ^ 0 m 5 5 ^ 5 ^ 5 ^ 5 ^ 5 ^ f^ 5 0 2 5 2 d 5 5 0 d 5 8 5 d 5 5 0 d 5
Я
=К о .5 5 .5 00 СЧ .8 ^
ч m р ' сч .5 ' 1 5 6 6 5 6 0 5 m 0 1 5.
.5 .5 .6 .6 .5 .5 .5 .5 .5 .5 .6 .5 .6 .5 .5 .6 .6 .6 .5
0. 0. 0. .0 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. .0 .0
CN CN 0 CN 0 CN СЛ 0 CN 6 00 2 ^ d 2 5 7
% N 6 сл 00 СЛ f^ СЛ 00 СЛ CN СЛ 5 00 5 00 f^ 00 5 00 00 6 00 0 СЛ m 00 m 00 0 a\ 5 сл 0 0 0 0 d 8 2 0 5 9 9
о d f^ d 00 0 CN 0 CN tn tn tn tn tn ЧО tn tn tn tn tn a\ о d tn d 00 9 CN 6 СЛ 9 СЛ d d 7
р Í-C 00 00 d CN d CN 2 5 6 00 6 61 8 9
tx
и d d 0 d 0 tn 0 сч 0 чо 5 ín 5 (N 6 (N 0 0 0 0 СЛ m СЛ ^ ^ 0 tn ^
1-1 о 0 o 0 d CN d CN 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 2 2 21 2
Дата 5 5 CN 00 CN 00 СЛ сл СЛ СЛ СЛ сл СЛ СЛ a\ СЛ a\ СЛ c^ СЛ СЛ a\ СЛ СЛ 6 .6 6 .6 2 .9 5 .6
d .0 сл .0 d .0 d .0 o o o o 5 .6 o o o .0 5 .5 5 .5 .5 2. 5. .0 2 .9 0.
0 СЛ 0 d CN d CN СЛ 0 сл 0 сл 0 0 0. 0. 0 0 0 0 0 2 2. 0 0. d 2. 8.
X, град W СЧ E E E E E E E 6 СЛ E E E E E E E E E E E E E .E
d 5 d d 5 d d 5 d d сч 6 СЛ CN f^ CN СЛ 2 00 6 2 5 2 2 2 2 0 m 5 2 d 5 2 d 5 2 d 5 2 6 7. d
Ф, град £ 00 6 £ 5 £ 5 ¡z; 5 ¡z; CN 5 ¡z; CN 5 ¡z; CN 5 ¡z; CN 5 ¡z; ¡z; 0 ¡z; 6 ¡z; 6 ¡z; 6 ¡z; 6 ¡z; 6 ¡z; m m ¡z; d d ¡z; d d ¡z; d d ¡z; 2.5 S S 2 S d
Станция Esrange South Uist South Uist South Uist Мир Мир Мир Мир Мир OSO-B2 Мир Мир Мир Мир Мир White Sands White Sands White Sands White Sands Kagoshima Alcantara WINDII Woomera
- CN d 5 6 00 СЛ 0 2 m 5 6 00 9 0 2 21 2 2 d 2
14 12 10
8
6
4
2
0 14
12
10
8
6
4
2
0 14
12
10
8
6
4
2
0 14
12
10
8 6 4 2 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 > (/с //)
Рис. 1. Зависимости между измеренными значениями ширины высотных профилей интенсивности континуума и
д/ln (/0/11) для различных участков спектра: 530 нм [McDade et al., 1984]; 577.5 нм [Baker and Waddoups, 1968]; 540 нм и 714 нм [Greer et al., 1986]. Для последних двух графиков представлены зависимости для верхних и нижних участков высотных профилей.
смотрены в предшествующих работах [Семенов и др., 2014а, б]. В них было показано, что в видимом диапазоне спектра возникновение излучения в основном связано с реакцией молекулы
окиси азота и атомарного кислорода. В инфракрасной (ИК) области спектра, наблюдаемые высотные распределения эмиссии континуума обусловлены реакциями молекул окиси азота с воз-
бужденными и невозбужденными молекулами озона.
В работе [Gadsden and Marovich, 1973] на основе данных о высотном распределении молекул окиси азота и озона выявлены закономерности вариаций интенсивности континуума в инфракрасной области спектра, которые позволили предположить, что ИК эмиссии континуума возникают на высотах ниже 80 км. Анализ опубликованных немногочисленных данных ракетных измерений характеристик ряда эмиссий верхней атмосферы позволил сделать вывод о закономерностях высотного распределения инфракрасных компонентов эмиссии континуума [Семенов и др., 2014а, б]. Было показано, что доля интенсивности этих компонентов при измерении, например, в ракетном эксперименте ETON [Greer et al., 1986; McDade et al., 1986] ничтожно мала, а излучение в спектральном участке с центром ~714 нм после исключения интенсивности излучения эмиссии, возникновение которой связано с реакцией NO + O, обусловлено вращательными линиями Р9 и р9 полосы ОН(7-2).
При изучении высотного распределения объемной интенсивности эмиссии прежде всего было необходимо получить аналитическое представление, описывающее его профиль. Многочисленные исследования различных эмиссий верхней атмосферы неоднократно свидетельствовали, что такой профиль может быть представлен асимметричным нормальным распределением.
Соответствие такому распределению можно установить с помощью построения корреляционной зависимости между шириной (W) измеренного высотного профиля интенсивности (на уровнях значений нормированных интенсивно-
стей I/I0) и параметра л/ln (/0//■), где I — различные значения интенсивности [Семенов, 1975; Шефов и др., 2006]. Эта процедура основана на том, что нормальное распределение описывается следующей зависимостью:
/■ = /0 exp
WЛ2"
vW у
Результаты анализа имеющихся данных измерений представлены на рис. 1. Для эмиссии 530 нм — 00:00, 9 сентября 1975 г., 57.2° N, 352.9° Е, х = 118°, F10.7 = 83 [McDade et al., 1984]. Для эмиссии 577.5 нм - 21:00, 28 апреля 1966 г., 32.3° N, 253.5° E, X = 112°, F10.7 = 94 [Baker and Waddoups, 1968]. Для эмиссий 540 нм и 714 нм — 23:20, 23 марта 1982 г., 57.6° N, 352.4° Е, х = 122°, F10.7 = 204 [Greer et al., 1986; McDade et al., 1986]. Как видно из рис. 1, рассматриваемые измеренные высотные профили удовлетворительно аппроксимируются асимметричными нормальными распределениями.
Единственный случай, когда были одновременно измерены высотные профили интенсивности излучения в двух спектральных диапазонах — 540 нм и 714 нм, это ракетный эксперимент ETON, который был осуществлен 23 марта 1982 г. в Южном Уисте (зенитный угол Солнца х = 122°) [Greer et al., 1986; McDade et al., 1986]. Полученные высотные распределения приведены на рис. 2. На основе этих данных в работе [Семенов и др., 2014б]) представлены оценки относительного вклада различных компонентов континуума в формирование его высотного профиля.
Высотное распределение интегральной по спектру объемной
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.