В дневное время существенную роль в возбуждении 02(Ь2+) играет реакция
Ü2 + O(D) — O2(b1) + O.
Сумма вероятностей переходов (b12+, V = 0 —►
—«- X32g, v" = 0 и 1) составляет 0.083 с-1, причем среди них наибольшая вероятность перехода между нулевыми колебательными уровнями (0.079 с-1) [Vallance Jones, 1974]. Отсюда видно, что интенсивности полос (0-0) и (0-1) должны различаться в двадцать раз.
Аналогично с другими атмосферными эмиссиями [Семенов и Шефов, 1996; 1997] излучение Атмосферной системы можно охарактеризовать интенсивностью I (рэлей), вращательной температурой Tr (K), высотой Zm (км) максимума меры эмиссии излучающего слоя, толщиной слоя W (км) и его асимметрией P. В данной статье рассматривается только интенсивность. При анализе ее изменения были представлены в виде:
I = I оП( 1+ А1>),
(1)
где 10 - среднее глобальное значение интенсивности полосы (0-0) либо (0-1) Атмосферной системы молекулярного кислорода или их суммарная величина для заданных гелиогеофизических условий: географическая широта - ф = 45° К, географическая долгота - X = 40° Е, время суток - местная солнечная полночь т = 0, день года - td = 80, солнечная активность - ^10.7 = 130, геомагнитная активность - Кр = 0, год - 2000. Следует заметить, что по сравнению с другими эмиссиями (например, атомарного кислорода и гидроксила) в данной статье представлены сведения о вариациях
интенсивности излучения 02(Ь2+) только для ночных условий, так как имеющиеся данные измерения в основном получены в ночное время. Этот материал также дает возможность анализа сезонных изменений. Однако остаются недостаточными сведения о многолетних систематических измерениях. Такая ситуация несколько ограничивает возможности полного построения различных типов вариаций. Поэтому в соответствии с формулой (1) величины А1 , описывают изменения только следующих типов: 1 - суточные вариации (А/Х0) в течение ночи (%0 - зенитный угол
Солнца), 2 - лунные вариации (А1ЬФ) в течение синодического месяца (29.6 сут), 3 - сезонные вариации (А/5), 4 - зависимость от солнечной активности (А1Р), 5 - широтная зависимость (А/ф) и 6 -многолетние изменения (А1Г).
Для вышеприведенных вариаций получены эмпирические аппроксимации, позволяющие опреде-
лять интенсивность для заданных гелиогеофизических условий относительно их стандартных значений, для которых I0 = 300 рэлей (P) в случае полосы (0-1), 6300 рэлей для полосы (0-0) или 6600 рэлей, если рассматривается их суммарная интенсивность. Графически эти вариации представлены на рисунке. На данном этапе предполагается, что поведение эмиссии в северном и южном полушариях одинаково.
1. Вариации в ночной период суток. Основой для построения вариаций интенсивности в течение ночного времени суток в зависимости от зенитного угла Солнца %0 являются данные ее измерений в Звенигороде (55.7° N) [Перминов и др., 2004], а также наземных наблюдений, опубликованных в ряде работ [Myrabo et al., 1984; Takahashi et al., 1986, 1998; Scheer and Reisin, 1998, 2002], и спутниковых измерений [Skinner et al., 1998].
Результаты измерений [Takahashi et al., 1998; Перминов и др., 2004] указывают, что экстремальные значения интенсивности эмиссии молекулярного кислорода приходятся на различные моменты местного времени в течение года. Это означает, что на вариации параметров излучения в течение ночи оказывают влияние фазовые сдвиги термического полусуточного прилива вследствие вариации высоты [Petitdidier and Teitelbaum, 1977; Takahashi et al., 1984], а также возмущения, обусловленные распространением внутренних гравитационных волн.
Анализ данных [Takahashi et al., 1998] показывает, что положение минимума в суточном распределении интенсивности, который имеет место в первую половину ночи, может быть представлено зависимостью зенитного угла Солнца для это-
min
го момента времени %0 от дня года td:
2 п
4 п
Хо = 135 + 35coS365 td +10cos365td ■
С учетом этого вариации интенсивности эмиссии будут иметь вид:
МХо = -0.47cos2(Хо - ХО™) +
+ 0.16cos4(Хо - ХО™) - 0.07cos6(Хо - ХО").
На рисунке показаны данные, редуцированные для условий зимнего солнцестояния.
Для значений местного времени до полуночи используется зенитный угол Солнца ХО, вычисляемый по формуле:
cos ХО = sin ф sin 5 О -cos ф cos 5О cos т,
где т - местное среднее солнечное время; ф - географическая широта; 5О - склонение Солнца. Для периода суток после полуночи в формулах используется значение 360 - хо.
А 1%е
ф 1557.7, Р К
Вариации интенсивности эмиссии Атмосферной системы молекулярного кислорода относительно среднего значения для стандартных условий в зависимости от различных параметров. Точки - индивидуальные измерения для суточных вариаций и для сопоставления с колебательной температурой гидроксильного излучения, на других графиках - средние значения. При сопоставлении с интенсивностью излучения атомарного кислорода (557.7 нм) и колебательной температурой гидроксильного излучения по оси ординат показана интенсивность полосы (0-1) Атмосферной системы молекулярного кислорода.
Зенитный угол Солнца для максимума, который наблюдается во второй половине ночи, определяется формулой:
2п
4п
Хо = 130- 35008;^ -10С08—
365
Естественно, ни минимум, ни максимум интенсивности не регистрируются при зенитных углах Солнца, соответствующих сумеречным условиям.
2. Лунные вариации. Вариации от фазового возраста Луны 1ьф получены на основе измерений в Звенигороде [Перминов и др., 2004]:
А1Ьф = 0.040СО8 22П;(-14.8) +
+ 0.036008 24^(ГЬф - 14.8) + 0.048со82бПб*ьф•
Приблизительная оценка 1т с точностью до нескольких десятых долей суток может быть сделана по формуле [Меёс, 1988]:
(Ьф = 29.53
365
УУУУ - 1900 12.3685
- 1.
Квадратные скобки означают дробную часть числа, УУУУ - номер года.
3. Сезонные вариации. Сезонные вариации основываются, главным образом, на данных наблюдений на обсерваториях Звенигород (55.7° N) [Berg and Shefov, 1962; Берг и Шефов, 1962; Шефов, 1975; Перминов и др., 2004], Верхний Прованс (43.9° N) [Berthier, 1956], Эль Леончито (32° S) [Scheer et al., 2005], Качоэйра Паулиста (22.7° S) и Форталеза (3.9° S) [Takahashi et al., 1998]. Их характер определяется амплитудами At и фазами t , в основном, первых трех гармоник. Они имеют вид:
2 П
Ms = Ajcos—(td- ti) +
365
4 п
6 п
+ A2COS—- (td - t2) + A3COS—-(td - Î3)
365
365
где
л n л • °-84 л r\ т 1 0.47
A1 = °.4sin ф, A2 = °.21cos ф,
A3 = 0 071 + °133( 9°1, t! = 324( , сут;
t2 = 80со8 . ф, сут; t3 = 25, сут.
4. Солнечная активность. Зависимость от солнечной активности оценена на основе данных Звенигорода [Перминов и др., 2004] и Эль Леончито ^сИеег й а1., 2005]:
MF = 0.05-
F 10.7 - 13°
100 '
5. Широтная зависимость. Среднегодовая зависимость от широты может быть оценена на основе данных как среднегодовых интенсивностей эмиссии для различных указанных выше станций, так и при помощи результатов измерений на спутнике "UARS" [Skinner et al., 1998]. Поскольку эти сведения представлены только в виде распределения изофот для периода измерений в течение периода с марта 1994 г. по апрель 1995 г., то полученные широтные вариации имеют приблизительный характер:
АI ф = 0.14cos2 ф + 0.055^4ф + 0.023^6ф.
Естественно, для различных месяцев года широтные зависимости должны учитывать закономерности сезонных вариаций.
6. Многолетние изменения. Для рассматриваемого периода исследований в течение почти полувека накопленные данные измерений охватывают небольшие временные интервалы непрерывных измерений. Имеющиеся оценки на основе периода 1998-2002 гг. [Scheer et al., 2005] указывают значения тренда интенсивности
А Itr = -0.015 (t - 1998),
где t - год. Оценки на основе измерений в Звенигороде [Берг и Шефов, 1962; Перминов и др.,
2004] в годы практически одинаковой солнечной активности дают для интенсивности значение тренда ~0.002.
Следует в связи с этим отметить, что для диапазона высот, где возникает излучение молекулярного кислорода (~92-95 км), многолетний тренд температуры практически равен нулю на протяжении всего года [Semenov et al., 2002].
7. Корреляции с эмиссией 557.7 нм атомарного кислорода и колебательной температурой излучающего гидроксила. Важное значение для анализа представляют корреляционные связи с характеристиками других эмиссий, возникающих в близкой области высот. Так были отмечены корреляционные соотношения интенсивности эмиссии полосы (0-1) Атмосферной системы O2 с интенсивностью (рэлей) эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм [Berthier, 1955; Dufay, 1959; Berg and Shefov, 1962; Берг и Шефов, 1962; Misawa and Takeuchi, 1976, 1977; Takahashi et al., 1986]
= 192 + 2.315
r ~ 0.9
и с колебательной температурой (K) гидроксиль-ной эмиссии [Шефов, 1970; Shefov, 1971]
I o2 = 1200exp(-
1100°
T.
r = -0.742 ± 0.065.
Вариации колебательной температуры Tv гидроксильного излучения отображают изменения высоты излучающего слоя гидроксила, что свидетельствует о динамических процессах, происходящих в нижней термосфере.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ данных опубликованных исследований интенсивности эмиссии Атмосферной системы молекулярного кислорода дал возможность систематизировать ряд основных регулярных ее вариаций в виде их эмпирической модели. В дальнейшем с расширением исследований эта модель может быть усовершенствована. В практическом отношении модель важна для определения содержания атомарного кислорода, комплексного анализа его фотохимии и динамики в нижней термосфере для различных геофизических условий.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-05-65275).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Берг М.А., Шефов H.H. Эмиссия OH и атмосферная
полоса À8645 Â молекулы O2 // Полярные сияния и свечение ночного неба / Отв. ред. В.И. Красов-ский. М.: Изд-во АН СССР. № 9. С. 46-52. 1962.
- Мак-Ивен М, Филлипс Л. Химия атмосферы. М.:
Мир. 375 с. 1978.
- Меёс Ж. Астрономические формулы для калькуля-
торов. М.: Мир. 168 с. 1988.
- Перминов В.И, Семенов А.И., Баканас ВВ., Желез-
ное Ю.А., Хомич В.Ю. Регулярные вариации интенсивности полосы (0-1) Атмосферной системы излучения кислорода // Геомаг
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.