ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 792-797
УДК 550.388
ЭМПИРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАРИАЦИЙ ЭМИССИИ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА 630 нм. 3. ВЫСОТА ИЗЛУЧАЮЩЕГО СЛОЯ
© 2007 г. Н. Н. Шефов, А. И. Семенов, О. Т. Юрченко
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва e-mail: meso@ifaran.ru Поступила в редакцию 02.10.2006 г. После доработки 23.11.2006 г.
На основе данных ракетных измерений высотных распределений интенсивности 630 нм разработана эмпирическая модель вариаций высоты излучающего слоя и его параметров. Наиболее существенными являются зависимости от зенитного угла Солнца в течение суток. Эта зависимость определяет характер сезонных вариаций на различных широтах. Высота излучающего слоя увеличивается с ростом уровня солнечной активности, отображая увеличение температуры верхней атмосферы. Выявлен отрицательный тренд - 0.35 км/год в интервале лет 1964-1990 гг.
PACS: 92.60.hc
1. ВВЕДЕНИЕ
Накопленный многолетний материал спектро-фотометрических наблюдений на различных станциях дал возможность произвести его систематизацию с целью выявления регулярных и нерегулярных закономерностей вариаций интенсивности, температуры и высоты максимума меры эмиссии излучающего слоя.
Закономерности различных типов регулярных вариаций интенсивности и температуры излучающего слоя эмиссии атомарного кислорода 630 нм уже были ранее рассмотрены [Шефов и др., 2006а,б, 2007]. Участие ионизованных компонентов в основных фотохимических процессах возникновения эмиссии 630 нм обусловливает большую роль освещения УФ-излучением Солнца атмосферы на высотах излучающего слоя. В течение вечерних сумерек интенсивность эмиссии 630 нм уменьшается по мере погружения Солнца под горизонт, т.е. происходит уменьшение влияния УФ-излучения Солнца на высотах термосферы, обусловливающее уменьшение концентраций реагентов, участвующих в диссоциативной рекомбинации. В то же время в течение утренних сумерек (в зимние периоды) возникает некоторое дополнительное увеличение интенсивности эмиссии 630 нм за счет воздействия притока фотоэлектронов и ионов 0+ из магнитно-сопряженных областей верхней атмосферы.
Ракетные и спутниковые измерения высотных профилей эмиссии атомарного кислорода проводились в течение 1964-1995 гг. Всего имеются сведения о 25 ракетных пусках и спутниковых измерениях, однако не все они равноценны по имеющимся данным. Измерения производились преимущественно в средних широтах. Поэтому с
этой точки зрения имеют некоторую однородность. Имеющиеся отдельные измерения в низких широтах позволяют получить оценки поведения в диапазоне широт от 5 до 50°N. В то же время это ограничивает возможности определения зависимости от широты в пределах всего полушария.
Данная работа является продолжением ранее опубликованных результатов разработки эмпирической модели вариаций эмиссии 630 нм, и посвящена анализу закономерностей вариаций характеристик высотного распределения меры эмиссии 630 нм (фотон см-3 с-1) - скорости процесса возникновения излучения в единице объема (volume emission rate).
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Спутниковые измерения дали авторам работы [Zhang and Shepherd, 2004] основание для вывода, что высотное распределение меры эмиссии описывается обычной функцией Гаусса. Однако, исследования показали, что высотное распределение меры эмиссии более удовлетворительно аппроксимируется несимметричной функцией Гаусса.
Данные конкретных измерений использованы на основе работ [Тарасова, 1961, 1962; Tarasova, 1963, 1967; Тарасова и Слепова, 1964; Nagata et al., 1965, 1968; Wallace and McElroy, 1966; Reed and Blamont, 1967; Gulledge et al., 1968; Huruhata and Nakamura, 1968; Schaeffer et al., 1972; Thuillier and Blamont, 1973; Sahai et al., 1975; Серафимов и др., 1977; Hays et al., 1978; Серафимов, 1979; Тарасова и др., 1981; Abreu et al., 1982; Zhang and Shepherd, 2004].
Каждая эмиссия верхней атмосферы образует свой излучающий слой, который характеризуется
интенсивностью излучения I (Рэлей), температурой Т (К) внутри слоя, отображаемой ее значением вблизи максимума меры эмиссии Qm(Zm) (фотон см-3 с-1), вертикальным распределением меры эмиссии Q(Z), толщиной слоя Ж на уровне Qm(Zm)/2, а также толщиной Жи выше значения высоты Zm и толщиной Ж1 ниже Zm, которые определяют асимметрию Р, равную отношению верхней доли толщины слоя Жи к его полной толщине Ж. В соответствии с этим определением полная интенсивность излучения, характеризующая скорость преобразования и стока энергии, равна:
I = | Q (Z) dZ = |а6З0 [ О (Ц)(Z)]dZ,
О 0
где А630 - вероятность перехода (коэффициент Эйнштейна) для эмиссии 630 нм, [0(10)(7) - концентрация метастабильных атомов О(Ц) на высоте ^
В этом определении важной характеристикой является форма высотного профиля. Теоретические исследования ряда эмиссий указывают на асимметричное распределение, в котором доля слоя выше высоты максимума Zm больше, чем та, которая расположена ниже Zm [Могее^ et а1., 1977], т.е. асимметрия Р > 0.5.
На примере ряда эмиссий уже было показано [Семенов и Шефов, 1997; Шефов и Семенов, 2001; Шефов и др., 20066], что на основе анализа данных ракетных измерений распределение меры эмиссии Q(Z) может быть более удовлетворительно представлено функцией несимметричного распределения Гаусса, т.е. у которого верхняя часть шире, нижняя - уже. В этом случае
Q (Z) = Qm (Zm) ехр когда Z > Zm, и
Q (Z) = Qm (Zm) ехр
1п 2( Z - Z m) 2 Р2 Ж2
1п 2(Z - Z m)2 (1 - Р)2 Ж2
широким спектром вариаций, которые имеют как регулярные, так и нерегулярные компоненты. При этом имеется в виду, что значения регулярных вариаций могут быть вычислены для заданного места и времени на основе заданных гелио-геофизических условий, а нерегулярные - это вариации, момент возникновения которых связан со случайными явлениями, но само поведение после момента начала возмущения имеет определенный регулярный характер.
Поскольку все типы вариаций являются фактически модуляцией некоторого среднего значения характеристик излучения, то в первом приближении была принята следующая форма представления параметров Zm, Ж и Р эмиссии
N
/ = /о + ^А/,
когда Z < Zm. Мера эмиссии в максимуме слоя равна
Q (Z ) = 2 1 Мл Ж
Из проведенных исследований следует, что вариации высоты слоя Zm отображаются в вариациях интенсивности эмиссии I, температуры Т, толщины слоя Ж и его асимметрии Р.
При рассмотрении проблемы построения модели поведения характеристик любого атмосферного излучения приходится иметь дело с весьма
где /0 - некоторые глобальные средние значения для заданных для гелиогеофизических условий; географическая широта ф = 45°К; географическая долгота X = 40°Е; время суток - местная солнечная полночь т = 0; сезон года - равноденствие, день года td = 80; солнечная активность - среднесуточный индекс Р10.7 = 130; геомагнитная активность - трехчасовой индекс Кр = 0; год - 1972.5.
Таким образом, вследствие ограниченности данных на данном этапе предполагается, что поведение эмиссии в большинстве случаев в северном и южном полушариях одинаковы.
Величины А/ описывают изменения различных типов, а именно:
1 - регулярные вариации: А/Х%о, ф) - суточные в течение ночи, %о - зенитный угол Солнца, ф -географическая широта; А/Х^) - сезонные, td -день года; А/рСР10л) - в течение цикла солнечной активности, Р10.7 - среднесуточный поток радиоизлучения Солнца, 22-летние вариации учитываются индексом Р107; А/й-С^) - многолетний тренд,
- год начала отсчета тренда; А/ф(ф) - широтные.
2 - нерегулярные вариации; А/Д^, КР, Ф) -вследствие геомагнитного возмущения, tgm - дата начала геомагнитной бури, Кр - планетарный трехчасовой индекс геомагнитного возмущения, Ф -геомагнитная широта.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ СИСТЕМАТИЗАЦИИ
Полный перечень возможных типов вариаций, аналогично приведенному в работах [Семенов и Шефов, 1997; Шефов и Семенов, 2001; Шефов и др., 2006а,б], смог быть осуществлен далеко не для всех параметров высотного распределения эмиссии 630 нм верхней атмосферы, так как длительность рядов измерений была весьма неодинакова и не для всех параметров, которые характеризуют свойства излучающего слоя.
Zm, КМ
300 г
200
W1, км 60
50
40
Wu, км 100 60 20
W, км 140
100
60
P
0.6
0.5 0.4
V» V ••
• •
90
180 %0, град
90
Х0 180
90
0
400
Z, км
300
10 100 1000 Qm, фотон • см-3 • с-1
200
Рис. 1. Суточные вариации параметров высотного распределения меры эмиссии 630 нм от зенитного угла Солнца х©. - высота максимума меры эмиссии Qm; ^I - толщина нижней части слоя на уровне Q = = Qm/2; Жи - толщина верхней части слоя на уровне Q = Qm/2; Ж - толщина слоя; Р - асимметрия. Точки -данные конкретных измерений, сплошные линии -аппроксимации.
1. Вариации в ночной период суток. Они представлены на рис. 1-3. Зенитный угол Солнца %0 определяется из соотношения
cos %0 = sin ф sin 5 0 -cos ф cos §0 cos т.
Здесь 50 - склонение Солнца, т - местное солнечное время. Для описания некоторой асимметрии вариаций параметров эмиссии в зависимости от %0
100
Рис. 2. Вычисленные высотные распределения меры эмиссии Q(Z) для различных зенитных углов Солнца %©. В верхней части показаны соответствующие изменения значений меры эмиссии Qm.
при расчете их значений в вечернее время (т < 24 ч) X© используется согласно приведенной формуле. Для утренней части суток (т > 0 ч) значение х© берется со знаком минус.
Из сопоставления вариаций в течение суток высоты 2т максимума меры эмиссии, толщины нижней части излучающего слоя Ж, верхней части Жи, полной толщины Ж выявились существенные закономерности. Оказалось, что имеются корреляции величин Ж 1 и Ж с высотой 2т
Ж = 45-0.19(Хт -250), км;
Ж = 95-0.19(Хт -250), км.
Коэффициент корреляции г = -0.7.
Однако верхняя часть толщины слоя Жи остается практически постоянной и равной 50 ± 5 км. Это позволило определить вариации асимметрии Р
1 Ж
1 = 1 + —-
Р Ж,,
Сплошные линии рис. 1 - аппроксимация : ответствии с уравнениями
со-
0
Zm = 237■
46cos|n0(x - 182) +1.4cos3460(X - 45) + 4.4cos 360(X -105), км,
AZX , км X©
2 n
4 n
W = 49 + 11 cos 360(X - 5) + 2 cos ^(х - 96)
360
6 n
+ 0.5 cos —(X-54), км,
W = 100 + 16cos;2^(X - 358) + 1.
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.