ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 404-411
УДК 550.388
ДОЛГОТНЫЕ ВАРИАЦИИ ГИДРОКСИЛЬНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 2. ВЫСОТА ИЗЛУЧАЮЩЕГО СЛОЯ, КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ИНТЕНСИВНОСТЬ
© 2014 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-mail: anasemenov@yandex.ru Поступила в редакцию 25.12.2012 г. После доработки 15.04.2013 г.
На основе данных многолетних наземных, ракетных и спутниковых исследований характеристик гидроксильного излучения верхней атмосферы получены сведения о долготных изменениях высоты ее излучающего слоя, колебательной температуры и интенсивности излучения различных колебательных уровней молекулы гидроксила ОН.
DOI: 10.7868/S0016794014030146
1. ВВЕДЕНИЕ
Многолетние систематические исследования гидроксильного излучения мезопаузы ведутся с середины 1950-х годов. Активизация измерений ее параметров началась с Международного Геофизического Года (1957—1959 гг.). Наиболее длительные наблюдения были выполнены в Звенигороде [Шефов и др., 2006] и Абастумани [Фишко-ва, 1983]. Данные, накопленные в течение многих десятилетий, позволили выявить разнообразные закономерности вариаций интенсивности враща-тельно-колебательных полос ОН с различным колебательным возбуждением, вращательной температуры этих полос, колебательной температуры, высоты излучающего слоя в области мезопаузы [Шефов и др., 2006]. Важную особенность вариаций этих параметров составляют закономерности их поведения в зависимости от широты и долготы. Проявление этого фактора связано с существенным влиянием на гидроксильную эмиссию в различных регионах планеты взаимодействия динамических процессов в нижней атмосфере с рельефом земной поверхности, а также с активными метеорологическими образованиями, такими как фронты атмосферного давления. Возможности реальных исследований в данном случае в значительной степени зависят от наличия сети геофизических станций в рассматриваемом диапазоне широт и долгот. К сожалению, необходимо отметить, что преимущественно большинство таких пунктов наблюдений расположено в средних широтах.
Существование долготных неоднородностей оптических явлений в верхней атмосфере первоначально было выявлено по серебристым обла-
кам [Шефов и Семенов, 2004а] и эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм [Шефов и Семенов, 2004б]. Систематизация и анализ имеющихся данных о вариациях гидроксильной эмиссии, энергетически наиболее существенной для высот мез-опаузы, позволяет исследовать широтно—долгот-ное распределение характеристик этой области атмосферы.
В настоящей работе рассмотрены закономерности долготных вариаций высоты излучающего слоя эмиссии гидроксила, его колебательной температуры и интенсивности.
2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Наиболее многочисленными и длительными были измерения интенсивности вращательно-колебательных полос ОН с различным колебательным возбуждением молекул. Существенной особенностью является использование различными авторами полос ОН не только с различным колебательным возбуждением, но и в различных областях спектра. Это обусловливает необходимость учета соотношений вероятностей переходов между регистрируемыми полосами ОН, а также влияния распределения населенностей колебательных уровней. Список станций и обсерваторий, на которых велись целенаправленные исследования гидроксильного излучения, представлен во многих работах. Для получения сведений о долготных закономерностях поведения параметров гидрок-сильного излучения для ситуации начала XXI века необходимо учесть влияние на них многолетних вариаций за последние 50 лет в различные сезоны года. Результаты и выводы исследований
сезонных вариаций характеристик излучения ОН по данным различных станций измерений позволяют получить закономерности их долготного поведения. Совершенно естественно, что одновременно имеют место и широтные вариации различных параметров гидроксильной эмиссии. Поэтому, несомненно, должны существовать различия параметров в трех широтных зонах: высокоширотной, среднеширотной и экваториальной. К сожалению, из-за отсутствия достаточного количества данных измерений интенсивности ОН в высокоширотных и экваториальных областях (из-за малого числа пунктов измерений) для выявления закономерностей ее вариаций в данной работе представлены результаты только для условий среднеширотной области северного полушария.
3. ВЫСОТА ИЗЛУЧАЮЩЕГО СЛОЯ
Непосредственные измерения высоты излучающего слоя гидроксильной эмиссии начались с середины 1950-х годов. Для этой цели использовались ракетные и спутниковые методы измерений [Baker and Stair, 1988; Baker et al., 2007; Liu and Shepherd, 2006; Nikoukar et al., 2007; Mulligan et al., 2009; Gao et al., 2010; Xu et al., 2010]. Общее количество измерений как ракетных, так и спутниковых, результаты которых опубликованы, составляет ~60. Однако, из них для статистического анализа пригодными оказалось гораздо меньше. Из опубликованных работ видно, что в ряде ракетных экспериментов производилось одновременное измерение высотных профилей гидрок-сильной эмиссии для группы полос с верхних (v = 9—6) и нижних (v = 6—2) колебательных уровней. Конкретное число полос ОН с различных колебательных уровней в каждом эксперименте было различным.
Кроме ракетных и спутниковых методов измерений высоты излучающего слоя ОН использовались и наземные триангуляционные оценки его [Потапов, 1975, 1976; Потапов и др., 1983, 1985; Перминов и др., 1993].
Как следует из рассмотрения опубликованных данных измерений, их количественное зональное распределение очень неравномерно. Это относится и к данным измерений по сезонам, и в течение суток. Анализ опубликованных данных, охватывающих период наблюдений в течение нескольких десятков лет, обнаружил большой разброс не только измеренных высот максимума излучающего слоя (Zm), но и полуширин (W) высотного распределения интенсивности и его асимметрии P. К сожалению, в опубликованных работах, как правило, не приводятся сведения о параметрах ориентации линии визирования фотометров, установленных на ракетах, относительно зенита при измерении интенсивности излучающего слоя ОН.
Долгота X, град
Рис. 1. Среднегодовые долготные вариации высоты максимума 2т и полуширины Ж излучающего слоя ОН (колебательные уровни V' = 8, 5 и 2) для среднеширотной области северного полушария. Кружки — группа полос ОН с верхних колебательных уровней, точки — с нижних колебательных уровней.
Отсутствуют также какие-либо дополнительные сведения, которые могли бы быть использованы для приведения измеренных значений интенсивности к зенитным. Вследствие всего вышесказанного, количество данных, пригодных для выявления систематических закономерностей вариаций параметров излучающего слоя, оказывается крайне ограниченным. Поэтому имеющиеся сведения оказались пригодными только для построения среднегодового долготного распределения высоты слоя (и его полуширины) свечения молекул гидроксила, излучающих с различных колебательных уровней (рис. 1).
Использование для анализа долготных вариаций характеристик ОН, регистрируемых с различных колебательных уровней, возможно, так как только абсолютные их значения могут незначительно изменяться (в зависимости от используемого колебательного уровня), в то время как в пределах толщины эмиссионного слоя характер их вариаций, обусловленных различными геофизическими факторами, одинаковый.
Ранее уже было показано наличие четкой корреляции между высотой излучающего слоя и соответствующими значениями вращательной и колебательной температуры, а также и интенсивности [Семенов и Шефов, 1996; Шефов и др., 2006]. В случае вращательной температуры эти зависимости имеют вид:
11000 Г
10500
3 г
Я ^ 10000
нР
й £
сЗ Н
Ю сЗ
^ 2
(D Н
9500 9000 8500 8000
- 3./
4т > V 5 7 т
\ 2 /•3
- 1*4.
0 90 180 270
Долгота X, град
360
лучения молекулы ОН, а именно, высоты максимума эмиссионного слоя Zm, его полуширины Wи асимметрии Р, с учетом исходного колебательного уровня v излучающих молекул гидроксила, получены эмпирические соотношения [Шефов и др., 2006; Khomich et al., 2008], аналитически связывающие эти параметры:
W (v, ZM) = 1.7 + 0.25(v - 5) + где W выражено в км.
(ZM - 6 5) 2
76
P (ZM) = 0.60 +
Zm - 87 150 '
Рис. 2. Среднегодовые долготные вариации колебательной температуры для высоты максимума Zm излучающего слоя ОН (v = 5) для средних широт северного полушария. Точки указывают данные отдельных станций измерений: 1 - Звенигород 38° Е; 2 - Абасту-мани (43° Е); 3 - Якутск (130°); 4 - Чатаника (212° Е); 5 - Уайт Сендс (253° Е); 6 - Гуэльва (354° Е); 7 -TIMED/SABER (357° Е).
Т) = 200 - 10(гт - 87), Zm(T) = 107 - 0.1Т, где Т измерена в К, а 2т — в км.
Анализ долготных изменений вращательной температуры показал существование крупномасштабных пространственных неоднородностей на высотах излучающего слоя, ассоциирующихся с распределением на земной поверхности материков и океанов [Семенов и др., 2013]. Кроме того, было обнаружено, что параметры излучающего слоя — высота максимума излучения 2т и полуширина Ж высотного распределения интенсивности излучения ОН зависят от номера исходного колебательного уровня V регистрируемых полос ОН [Шефов и др., 2006; КИотсИ ег а1., 2008]. Была также выявлена корреляция параметра асимметрии (Р) высотного распределения излучающего слоя интенсивности эмиссии ОН от вариаций высоты его максимума (коэффициент корреляции г ~ 0.5).
Используя опубликованные и собственные данные измерений вращательной температуры, на основе корреляционной зависимости между ней и высотой излучающего слоя, было получено аналитическое соотношение, позволяющее рассчитать среднегодовые долготные вариации высоты 2т в км для средних широт [Семенов и др., 2013].
Zm(A,) = 87 + 0.5СО8(Х - 20) + 0.43СО8 2(Х - 90), где 2т выражено в км.
На основе сопоставления вариаций параметров высотного распределения интенсивности из-
Результаты работы [Liu and Shepherd, 2006] подтверждают такое соотношение. Поэтому на рис. 1 представлены среднегодовые долготные вариации параметров слоя W для раз
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.