УДК 550.385
УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА АТОМНОГО КИСЛОРОДА В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ © 2014 г. А. Д. Данилов, А. В. Константинова
Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова, Росгидромета, г. Москва e-mail: adanilov99@mail.ru; anna@tabulata.ru Поступила в редакцию 22.06.2013 г.
Высказывается предположение, что обнаруженные отрицательные тренды критической частоты слоя F2 вызваны уменьшением (отрицательным трендом) концентрации атомного кислорода в термосфере. Такое уменьшение может быть вызвано усилением турбулентности в районе турбопаузы (100—120 км). Приводятся аргументы в пользу того, что усиление турбулентности действительно происходит и вызывается усилением проникновения на высоты турбопаузы внутренних волн.
DOI: 10.7868/S0016794014020060
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема долговременных трендов параметров верхней атмосферы и ионосферы стоит сейчас очень остро. Не вдаваясь в детали и отсылая читателя к обзору одного из авторов [Данилов, 2012], подчеркнем только несколько моментов, важных для понимания данной статьи.
Концепция охлаждения и оседания верхней атмосферы [Lastovicka et al., 2008] в настоящее время может считаться общепринятой. Наиболее весомое доказательство существования оседания термосферы в результате охлаждения представляют собой тренды плотности атмосферы на высотах 400—600 км, полученные по торможению большого числа спутников (см. указанный обзор, а также недавнюю работу [Solomon et al., 2012]. Полученные тренды плотности зависят от солнечной активности и достигают —5% за десятилетие в годы солнечного минимума.
Подтверждают концепцию охлаждения термосферы и данные некогерентного рассеяния. По измерениям на установке НР в Миллстоун Хилл [Zhang et al., 2011; Zhang and Holt, 2012] уменьшение ионной температуры за период с 1967 по 2008 гг. составляет 45 K. Согласно измерениям методом НР в Сан-Сантин [Donaldson et al., 2010] тренд ионной температуры на высотах области F после 1980 г. составляет —5 K в год. Хотя ионная температура не обязательно равна температуре нейтралов (более того, она, как правило, меньше, и связь между Ti и Tn достаточно сложна и не вполне известна), подобное уменьшение Ti невозможно без значительного уменьшения Tn.
Существенно, что указанные экспериментальные данные (равно как и анализ ионосферных измерений, описанных ниже) дают значительно бо-
лее сильное изменение термосферных и ионосферных параметров [Lastovicka et al., 2012; Solomon et al., 2012; Emmert, 2012], чем предсказывается современными теоретическими моделями (см., например, [Qian, 2011, 2012]), не говоря уже о более ранних предсказаниях [Roble and Dickinson, 1989; Rishbeth, 1990].
Очевидно, что наблюдаемые изменения плотности, температуры и параметров ионосферного слоя F 2 не могут происходить без изменения других аэрономических параметров термосферы — концентраций нейтральных компонент, эффективного коэффициента рекомбинации, уровня возбуждения молекул N2. Расчеты [Qain et al., 2009] с использованием модели NCAR GCM показывают, что при удвоении количества СО2 соотношение между атомными и молекулярными компонентами на высотах области F должно изменяться. Как следует из рис. 4 в работе [Qain et al., 2009], величина [0]/[N2] на высоте максимума слоя F2 при удвоении количества СО2 должна уменьшаться, причем это уменьшение может лежать в пределах от 0 до —30% в зависимости от региона.
2. ТРЕНДЫ /о/2 И Нт¥2
В работах авторов [Данилов и Константинова, 2013а, б] были исследованы тренды двух основных параметров слоя /2 ионосферы, /о¥2 и Иш/2. Было получено, что оба параметра демонстрируют отрицательные тренды в период после 1990 г. Анализ возможных причин указанных трендов показал, что они вызываются как изменениями в динамическом режиме термосферы, так и изменениями аэрономических параметров в области
foF2(14), МГц 14
12
10
SD(1)2 = 0.24 R(1)2 = 0.95
SD(2)2 = 1.2 + R(2)2 = 0.77
SPIDR—SPIDR
4 240
foF2(14), МГц 12
Ашхабад июнь/июль
R(1)2 = 0.8 10L SD(1)2 = 0.30
SD(2)2 = 0.43 R(2)2 = 0.80
SPIDR—SPIDR
280
320
360 400 hmF2(14), км
320 360 400 440
hmF2(14), км
Рис. 1. Зависимость/оВ2 от НтВ2 на ст. Ашхабад для двух ситуаций (14JF и 14JJ) для "эталонного" и более позднего периодов (из статьи Данилова и Константиновой, 2013в).
8
8
6
6
В работе [Данилов и Константинова, 2013а] получено, что анализ величин/оВ2 дает более высокие отрицательные тренды зимой, чем летом, и не дает заметного различия между трендами для моментов 14:00 ЬТ и 88+2, и сделано предварительное заключение, что обнаруженные тренды /оВ2 вызваны не только (и не столько) уменьшением температуры, но изменениями других параметров (состава и плотности термосферного газа), которые претерпевают изменения в процессе охлаждения и оседания верхней атмосферы.
Данилов и Константинова [2013в] анализировали связь величин/оВ2 и НтВ2 в разные периоды времени — до 1980 г. и после 1980 г. Основной вывод указанной работы состоит в том, что зависимость критической частоты /оВ2 слоя В2 от его высоты НтВ2, которая хорошо (с высокими коэффициентом определенности Я2 и небольшими стандартными отклонениями 80) выражена для "эталонного" периода 1957—1979 гг., существенно нарушается в период после 1980 г. Пример поведения /оВ2(ктВ2) для разных периодов приведен на рис. 1, взятом из работы [Данилов и Константинова, 2013в].
На наш взгляд, это является прямым доказательством того, что происходит изменение фотохимических параметров термосферы, ответственных за формирование слоя В2 — температуры, эффективного коэффициента рекомбинации, состава. Если бы такого изменения не происходило и высотное распределение этих параметров при фиксированном уровне солнечной активности оставалось неизменным, то сдвиг слоя В2 вверх или вниз под
влиянием вертикального дрейфа приносил бы максимум слоя в те же аэрономические условия, что и раньше. А это значит, что тем же величинам hmF2 соответствовали бы те же величины foF2. Проведенный Даниловым и Константиновой [2013в] анализ показывает, что это заведомо не так. Достаточно строгая связь между hmF2 иfoF2, наблюдавшаяся в "эталонный" период, в более поздний период либо нарушается совсем, либо обладает гораздо худшими статистическими характеристиками. Это может быть лишь в том случае, если изменилось распределение с высотой фотохимических параметров термосферы. Такое изменение должно неизбежно происходить при наблюдаемом другими методами (торможение спутников, некогерентное рассеяние (см. [Lasto-vi c ka, 2009; Lastovi c ka et al., 2012]) усилении охлаждения и оседания верхней атмосферы.
3. РОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ И АТОМНОГО КИСЛОРОДА
Полученный в работе [Данилов и Константинова, 2013в] более сильный эффект зимой, чем летом (см. табл. 3 и суммарную статистику в указанной работе), говорит о том, что температура вряд ли играет главенствующую роль в происходящем процессе.
Согласно современным представлениям [Richards, 2011; Heirl et al., 2007] константы скорости основных ионно-молекулярных реакций
O+ + N2 ^ NO+ + N(y0 и O+ + O2 ^ O+ + 0(у2)
AfoF2(ss+2), МГц 0.
0.4
-0.4
-0.8
январь/февраль Рим
• 0.93 V 0.77 X 0.91 0.98 0.89
-1.2 1988
1992
1996
2000
2004 Годы
• - IWG + SPIDR X - IWG + Дамбольдт V - медианы □- медианы + SPIDR
♦ - SPIDRС
AfoF2(14), МГц 0.2
1988
1992
1996
2000
2004 Годы
• - IWG + SPIDR х - IWG + Дамбольдт v - медианы ♦ - SPIDRС
0
Рис. 2. Тренды/о/2 для различных источников для станций Рим (ситуация SSJF) и Боулдер (ситуация 14JF). Цифры при значках означают коэффициент определенности Я2 (из статьи Данилова и Константиновой, 2013а).
зависят от ионной температуры Т следующим образом:
уь у2 обратно пропорциональны Т при Т1 < 1000 К и
у1? у2 прямо пропорциональны Т при Т > 1000 К.
Среднегодовая ионная температура на высотах слоя /2 как раз соответствует ~1000 К, причем зимние значения несколько ниже, а летние — несколько выше. Коэффициент рекомбинации в пропорционален уь у2 и, соответственно, электронная концентрация обратно пропорциональна в: q = в^в.
Таким образом, летом уменьшение температуры в результате общего процесса охлаждения верхней атмосферы должно приводить даже к небольшому увеличению электронной концентрации (и, следовательно, /о/2), а не к ее уменьшению (отрицательный тренд). Зимой зависимость уь у2 от Точень слаба (уь у2 ~ Т-(0 4-0 5)), а потому трудно ожидать заметного температурного эффекта в/о¥2 из-за изменения величин уь у2.
В свете сказанного на роль "главного кандидата", вызывающего рассматриваемые в этой работе изменения, претендует нейтральный состав термосферного газа.
Итак, результаты обоих исследований [Данилов и Константинова, 2013а, в] указывают на то, что в последние десятилетия в результате оседания и охлаждения верхней атмосферы происхо-
дит изменение нейтрального состава термосферы на высотах максимума слоя F2, приводящее к уменьшению критической частотыfoF2 (а, следовательно, и электронной концентрации NmF2).
Электронная концентрация в максимуме слоя F2 пропорциональна отношению [O]/[N2]. Слой F2 "плавает" на уровне более или менее постоянного давления [Rishbeth and Edwards, 1989]. За счет этого величина NmF2 должна была бы оставаться относительно постоянной, даже при оседании термосферы за счет охлаждения. Однако, зависимость NmF2 от концентрации атомного кислорода более сложна. Согласно работе [Mikhailov et al., 1995] величина электронной концентрации в максимуме слоя F2
NmF2 ~ [O]065 • ([O]/[N2])065.
В этом случае при сохранении максимума слоя F2 на уровне постоянного давления второй сомножитель в формуле меняться практически не будет. Изменение NmF2 возможно только за счет изменения концентрации О. Поскольку газы в термосфере распределяются по барометрическому закону, изменение [O] должно происходить во всей толще термосферы выше уровня гомопаузы (~120 км).
Таким образом, результаты, полученные Даниловым и Константиновой [2013а, в], дают серьезные основания предположить, что со временем изменяется абсолютная величина концентрации атомного кислорода [O], что и приводит к
отрицательным трендам foF2 (в качестве примера см. рис. 2, взятый из работы [Данилов и Конста
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.