УДК 551.510.413:551.508.856
ЛИДАРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ АЭРОЗОЛЬНЫХ СЛОЕВ В СТРАТОСФЕРЕ И МЕЗОСФЕРЕ НАД КАМЧАТКОЙ © 2012 г. А. А. Черемисин1, П. В. Новиков2, И. С. Шнипов2, В. В. Бычков3, Б. М. Шевцов3
1Сибирский федеральный университет, г. Красноярск 2Красноярский институт железнодорожного транспорта — филиал ГОУВПО ИрГУПС в г. Красноярске 3Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка, (Камчатская обл.) e-mail: aacheremisin@gmail.com, vasily@ikir.kamchatka.ru Поступила в редакцию 22.09.2010 г.
После доработки 07.11.2011 г.
По результатам лидарных наблюдений, проведенных в 2007—2008 гг. на Камчатке, были обнаружены аэрозольные слои в верхней стратосфере на высотах 35—50 км и в мезосфере на 60—75 км. Известно, что на аэрозольные частицы, поглощающие солнечное излучение и ИК-излучение Земли, могут действовать силы газокинетической природы — фотофоретические силы, которые могут противодействовать силе тяжести и даже приводить к левитации этих частиц на определенных высотах. Накопление частиц на этих высотах может привести к формированию аэрозольных слоев. Были проведены расчеты этих сил для условий лидарных наблюдений над Камчаткой. Положение наблюдавшихся аэрозольных слоев совпало с высотами, на которых возможна левитация частиц. Таким образом, обнаруженное присутствие стратосферных и мезосферных аэрозольных слоев на высотах 30—50 и 60—75 км, соответственно, может быть объяснено действием фотофоретической силы на аэрозольные частицы.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние два десятилетия развивались исследования аэрозольных частиц в .D-области ионосферы, присутствие которых может радикально влиять на локальный баланс зарядов и модифицировать рассеяние радиоволн в ионосферной плазме. Несмотря на предпринятые в последнее время усилия по исследованию с помощью спутниковой аппаратуры, ракетной техники и наземных средств зондирования, мезосфера остается довольно слабо изученной областью атмосферы [Friedrich et al., 2009а]. Большое число работ посвящено исследованию серебристых облаков (мезосферных облаков), в том числе с использованием космической техники [Hervig et al., 2009]. Эти облака наблюдаются на высотах 83—85 км в северном полушарии и на высотах 84—87 — в южном, являются сравнительно хорошо рассеивающими видимое излучение образованиями и интенсивно изучаются методами лидарного зондирования [Fiedler et al., 2009]. Возможно даже визуальное наблюдению этих облаков в сумерках
[Бронштэн, 1984]. Если исключить наблюдения серебристых облаков, и говорить о лидарных наблюдениях мезосферной области в целом, то принято считать, что при высотах зондирования более 30 км лидарные сигналы воспроизводят молекулярное рассеяние [Kent and Wright, 1970;
Poultney, 1972], и только в особых случаях, например при вторжениях больших комет, наблюдаются слои аэрозольного рассеяния в верхней стратосфере и мезосфере [Межерис, 1987]. Существование заряженных частиц аэрозоля в мезосфере обнаруживается косвенными методами, по возрастанию рассеяния радиоволн на высотах 60— 80 км — полярное зимнее мезосферное эхо [Zeller et al., 2006], и на 80—90 км — полярное летнее мезосферное эхо [Rapp and Lübken, 2004]. На присутствие заряженных частиц указывают и локальные провалы электронной плотности, которые наблюдались на 80 км с помощью ракетной техники, в присутствие летнего мезосферного эха [Friedrich et al., 2009b].
Касательное зондирование из космоса в ультрафиолетовом диапазоне спектра свидетельствует о существовании в невозмущенной верхней атмосфере в экваториальной зоне и на средних широтах устойчивых аэрозольных слоев на высотах ~50, 70, 93 км [Cheremisin et al., 2000]. Аэрозольный слой на высоте 50 км впервые был выявлен по данным 40-летних наземных сумеречных наблюдений [Розенберг и др., 1980]. Наличие этого слоя качественно подтверждается по наблюдению сумеречного горизонта Земли из космоса [Кондратьев и др., 1977; Розенберг, Сандо-мирский, 1971; Giovane et al., 1976; Бутов, Логи-
нов, 2001]. Наличие слоистой структуры верхней атмосферы Земли также подтверждается ракетными исследованиями [Rossler, 1972; Микиров, Смеркалов, 1981; Кузнецов и др., 1977]. Была высказана точка зрения, что интерпретация известных фактов стратификации аэрозоля в средней атмосфере в рамках существующих моделей, основанных на рассмотрении процессов седимен-тационно-диффузионного равновесия с привлечением тех или иных конденсационных гипотез, сталкивается с затруднениями [Cheremisin et al., 2000].
Известно, что на аэрозольные частицы, поглощающие солнечное излучение и ИК-излучение Земли, могут действовать силы газокинетической природы — фотофоретические силы, которые могут противодействовать силе тяжести и даже приводить к левитации этих частиц на определенных высотах. Накопление частиц на этих высотах может привести к формированию аэрозольных слоев [Cheremisin et al., 2005].
Фотофорез — это индуцированное светом движение частиц. Этот эффект возникает в разреженных газах из-за неравномерности аккомодации газовых молекул по поверхности частицы, например при различии температур или значений коэффициента аккомодации на поверхности частицы. Силовые поля влияют на фотофоретиче-ское движение частиц, и тогда говорят о гравито-фотофорезе, магнитофотофорезе и т.д. Имеются многочисленные экспериментальные наблюдения левитации частиц в вакуумных камерах под воздействием излучения лазеров и других источников света, которые цитируются в работе [Cheremisin et al., 2005]. В теоретических работах [Pueshel et al., 2000; Rohatschek, 1996; Cheremisin et al., 2002; Береснев и др., 2003; Cheremisin et al., 2005;] анализировалось влияние фотофоретиче-ских сил на вертикальный перенос аэрозольных частиц в атмосфере. Показано [Cheremisin et al.,
2005], что гравитофотофоретические силы могут поддерживать в стратосфере и мезосфере аэрозольные слои на высотах ~20, 50, 70 км, 80—83 км в полярной летней мезосфере, а также на 30— 50 км. Общие алгоритмы расчета фотофоретиче-ских сил в сложных системах представлены в работе [Cheremisin, 2010].
Ранее гравитофотофоретическая гипотеза формирования аэрозольной стратификации основывалось на сопоставлении с данными экспериментальных наблюдений в общих чертах, в целом. В работе [Cheremisin et al., 2005] анализировалось левитация аэрозольных слоев в условиях стандартной атмосферы. Сезонно-широтная картина левитации слоев открыла новые особенности аэрозольной стратификации под действием сил гравитофотофореза [Cheremisin and Vassilyev,
2006]. Можно было предположить, что дальней-
шая детализация географических и временных условий даст новые возможности для проверки гравитофотофоретической гипотезы. Такая возможность сопоставления теоретических расчетов и экспериментальных наблюдений открылась в связи с созданием лидарной станции на Камчатке, позволяющей зондировать диапазон высот от верхней стратосферы до мезосферы.
В 2007 г. на Камчатке (с. Паратунка) была введена в эксплуатацию лидарная станция, регистрирующая эхосигналы, образующиеся при упругом рассеянии света на молекулах воздуха и аэрозольных частицах. С октября этого же года начались наблюдения средней атмосферы. Измерения в течение года показали, что на высотах больших 40 км профиль лидарного сигнала свидетельствует о наличии аэрозольных слоев в окрестности стратопаузы [Бычков и др., 2008]. Следует отметить, что по данным лидарных наблюдений над Томском также обнаружено появление аэрозольных слоев на высотах 35—45 км в зимнее время [Бычков и Маричев, 2008].
В данной работе представлены лидарные данные по аэрозольному рассеянию в верхней стратосфере и мезосфере над Камчаткой до высот 75— 80 км за годичный период с октября 2007 г. по сентябрь 2008 г. Выявлены характерные сезонные особенности появления аэрозольных слоев. Приведены также результаты расчетов высот, на которых возможна левитация аэрозольных частиц под действием гравитофотофоретических сил для тех же дней и метеоусловий, в которых проводились лидарные наблюдения на Камчатке. Проведено сопоставление высотных областей левитации с высотами наблюдаемых аэрозольных слоев.
2. МЕТОДИКА ЛИДАРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ АЭРОЗОЛЬНЫХ СЛОЕВ В ВЕРХНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ И МЕЗОСФЕРЕ НАД КАМЧАТКОЙ
Описание лидарной станции ИКИР ДВО РАН, Камчатка, приведено в работе [Бычков и др., 2008]. Перечислим лишь основные характеристики: длина волны излучения — 532 нм, энергия в импульсе — 0.4 Дж, длительность импульса — 5 нс, частота посылки лазерных импульсов — 10 Гц, диаметр приемного зеркала 60 см, фокусное расстояние — 210 см, расходимость луча после выхода из коллиматора — 10-5 рад, угол зрения приемника — 5 х 10-4—10—3 рад. Все приведенные в настоящей работе результаты получены на расстоянии между осями приемника и излучателя равном 510 см. Вертикальное разрешение измерений — 1.5 км, обусловлено временным разрешением в 10 мкс счетчика фотонов Hamamatsu-H8784. ФЭУ — Hamamatsu-М8259-01, темновой шум при 20°С — 20 ф/с. При распространении лазерного импульса
до высот ~21 км применялось электронное запирание ФЭУ для отсечки сигналов ближней зоны зондирования. Это сокращает динамический диапазон лидарного сигнала и позволяет одновременно отслеживать область верхней стратосферы и мезосферу при сравнительно умеренном влиянии импульсов последействия ФЭУ [Вето-хин и др., 1986] на результаты измерений на высотах до 80 км.
Для анализа аэрозольной стратификации атмосферы использовалось отношение рассеяния:
Я(Н) = (впт(Н) + впа(Н))/впт(Н), Где впт(Н), впа(Н) — объемные коэффициенты молекулярного и аэрозольного обратного рассеяния на высоте Н. При наличии аэрозоля на некоторой высоте Я(Н) > 1, при отсутствии — Я(Н) ~ 1 с точностью до погрешности измерений.
Уравнение лазерного зондирования [Самохвалов и др., 1987] может быть записано в виде [Ельников и др., 1988]
R(H) = NC(H) H у [сРпИ(Я) T 2(0, H) ],
(1)
где МС(Н) — эхосигнал, С — аппаратурная постоянная лидара, а Т(0, Н) — интегральный коэффициент пропускания атмосферы от лидара до высоты Н. Для определения постоянной С используют метод калибровки лидарных сиг
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.