ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 246-256
УДК 550.388
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ В ОБЛАСТИ МЕЗОПАУЗЫ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ГИДРОКСИЛЬНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СРЕДНИХ ШИРОТАХ
© 2014 г. В. И. Перминов1, А. И. Семенов1, И. В. Медведева2, Н. Н. Перцев1
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва 2Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск e-mail: v.perminov@rambler.ru Поступила в редакцию 10.09.2012 г. После доработки 18.02.2013 г.
На основе спектральных наблюдений гидроксильного излучения на Звенигородской станции ИФА РАН в течение 2000—2011 гг. и Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (Торы) в течение 2008— 2011 гг. исследованы сезонные вариации температуры в области мезопаузы, ее межсуточная и ночная изменчивость, мерой которых взяты стандартные отклонения. Проанализированы многолетние изменения всех параметров температурной изменчивости.
DOI: 10.7868/S0016794014020151
1. ВВЕДЕНИЕ
Как известно, область мезопаузы (80—100 км) характеризуется наиболее низкими значениями температуры в верхней атмосфере, которые опускаются до 130 К в летний период в области полярных широт. С ростом широты увеличивается и амплитуда сезонных изменений ее температуры. Тепловой баланс мезопаузы контролируется радиационными и динамическими процессами, среди которых особую роль играют внутренние гравитационные волны (ВГВ) [Brasseur and Solomon, 2005]. Сезонные изменения в структуре ВГВ оказывают существенное влияние на меридионально-вертикальную циркуляцию, что приводит к адиабатическому расширению и охлаждению мезопаузы летом и ее сжатию и разогреву зимой. Представление о сезонном ходе температуры мез-опаузы на различных широтах получено на основе ее измерений различными методами — с использованием лидара [Senft et al., 1994; Friedman and Chu, 2007; Gerding et al., 2008], спектрофотометриче-ских измерений гидроксильного излучения [Clemesha et al., 1990; Mulligan et al., 1995; Niciejew-ski and Killeen, 1995; Bittner et al., 2002; Burns et al., 2002; Bakanas et al., 2003; Reisin and Scheer, 2004, 2009; Lopez-Gonzalez et al., 2004; Offermann et al., 2009]. Было обнаружено, что хотя сезонный ход имеет регулярный характер, однако в его поведении проявляются значительные межгодовые изменения и тенденции многолетней эволюции [Offermann et al., 2006, 2010; Pertsev and Perminov, 2008]. В настоящее время исследованиям механизмов этого воздействия уделяется большое внимание.
Межсуточная и внутрисуточная изменчивость температуры в области мезопаузы в основном обусловливается воздействием различных волновых процессов — планетарные волны, вариации, связанные с возрастом Луны, приливы и ВГВ. Исследования температурной изменчивости данного временного масштаба на высотах мезопаузы проводились неоднократно [Bittner et al., 2002; Reisin and Scheer, 2004; Rauthe et al., 2008; Offermann et al., 2009]. В основе этих исследований была методика, основанная на анализе стандартного отклонения температуры (ст(Т)) или его квадрата, т.е. дисперсии — ст2(Т), которые связаны с амплитудой (Ак) различных волновых процессов как
n
*(Т) = 2 X Al,
k = 1
где n — число волновых гармоник в исследуемом температурном ряде. Следует заметить, что данная формула верна при условии предварительного выделения трендовой составляющей из температурного ряда. Как видно, стандартное отклонение температуры может служить индикатором волновой активности в наблюдаемой области атмосферы.
Целью настоящей работы является исследование сезонных и межгодовых вариаций температуры атмосферы в области мезопаузы и ее межсуточной и ночной изменчивости. В основе исследования — данные о температуре мезопаузы по многолетним наблюдениям гидроксильного излучения на Звенигородской станции Института физики атмосферы РАН (55.7° N, 36.8° Е) и Геофизической обсерватории Института солнечно-
земной физики СО РАН, расположенной в 150 км от г. Иркутск (Торы, (52° N, 103° E)), и статистический анализ выявленных стандартных отклонений температуры.
2. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГИДРОКСИЛЬНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Температура в области мезопаузы определялась по спектральным измерениям излучения гидроксила (ОН), атмосферные эмиссии которого возникают главным образом в результате химических процессов [Bates and Nicolet, 1950]:
O + O2 + M ^ O3 + M, O3 + H ^ OH(v < 9) + O2.
Излучающий слой гидроксила имеет максимальную объемную интенсивность на высоте ~87 км и толщину ~9 км [Baker and Stair, 1988]. Спектр гидроксильных эмиссий представляет собой совокупность инфракрасных колебательно-вращательных полос, которые позволяют определять вращательную температуру молекул ОН. Методика ее определения дана в статьях [Перминов и др., 2007; Перминов, 2009]. Она основана на том, что при термодинамическом равновесии возбужденных молекул ОН(уJ') с окружающими молекулами воздуха их распределение по вращательным состояниям описывается функцией Больцмана. Отсюда, интенсивности колебательно-вращательных линий I(v', J' ^ v'', J'') определяются как
I(v', J' ^ v'', J") = N(v)A(v', J ^
^ v'', J")
„,2(2 J' + 1)
exp
hcF (J')
k Trot
ат^)
где Щ(У') — населенность колебательного уровня V', Л(у\ J' ^ V, J") — вероятность колебательно-вращательного перехода (V, J' ^ V'', J") (с-1), к — постоянная Планка, с — скорость света, к — константа Больцмана, F(J') — энергия вращательного уровня J' (см-1) и 0^(ТТо1) — вращательная сумма по состояниям, ТТо1 — вращательная температура. Процедура определения вращательной температуры состоит в построении корреляционного соотношения
-1 (V, /' ^ V", Г ")-) = __И^р /} + с,
2(2/' + 1)А(^, Г ^ V'', /") кТт0
где С — константа. Далее, используя метод наименьших квадратов, можно получить значения Тго1. В настоящей работе вращательная температура определялась по интенсивностям трех первых линий Р1-ветви полосы ОН(6-2) 834.0 нм с использованием вероятностей колебательно-вращательных переходов согласно [Ьа^Иой:' й а1., 1987]. Для спектральных наблюдений этой поло-
сы на Звенигородской станции ИФА РАН и Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН используются светосильные дифракционные спектрографы СП-50 и СП-48, оснащенные высокочувствительными цифровыми ПЗС-камерами. Детальное описание спектральных приборов дано в работе [Шефов и др., 2006]. Наблюдения в Звенигороде и Торы проводились при зенитных углах 53° и 28° соответственно. В этом случае характеристики используемых приборов обеспечивали обзор площади излучающего слоя гидроксила размером 21 х 40 км (Звенигород) и 21 х 27 км (Торы). Характеристики спектрографов позволяют получать спектры с разрешением 0.2 нм. Примеры зарегистрированных спектров и методика их калибровки и дальнейшей обработки представлены в статьях [Семенов и др., 2002; Перминов, 2009]. Охлаждение ПЗС-матриц регистрирующих камер приборов до —50°С и время накопления сигнала до 10 мин обеспечивало достаточно высокое отношение сигнала к шуму (>80) в области спектральных линий ОН, используемых для определения температуры. Это давало возможность получать температуру с точностью около ~1—3 К.
3. МЕТОДИКА АНАЛИЗА
Анализ сезонных вариаций температуры в области мезопаузы основан на определении гармоник путем согласования (методом наименьших квадратов) рядов средненочных значений температуры гидроксильного излучения, полученных в течение года или более длительного времени, с функцией вида
T = T +
X Ancos(■
n=1
2nn \365.25
(td -фn)|,
где Т — средняя температура, Ап — амплитуда гармоники, п — ее номер, ^ — порядковый номер дня в году, фп — фаза гармоники. Для примера на рис. 1а представлены средненочные значения гидроксильной температуры, полученные в Звенигороде в 2011 г. Ее сезонный ход показан сплошной линией, описываемой суммой первых трех гармоник. Следует отметить, что третья гармоника статистически значима не для всех анализируемых лет наблюдений в Звенигороде.
Для определения межсуточной изменчивости температуры из ее годового ряда средненочных измерений предварительно вычитались среднегодовое значение и сезонные гармоники. На рисунке 1б даны остаточные отклонения температуры после проведения такой процедуры. Полученные отклонения представляют собой вариации температуры, обусловленные в основном распространением планетарных волн в атмосфере и влиянием месячных лунных вариаций на область мезопаузы.
Т, К 230
220
210
200
190
180
170
160
150
АТ, К 20
10
0
-10
-20
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Номер дня в году
Рис. 1. а — средненочные значения гидроксильной температуры (точки), полученные в Звенигороде в 2011 г. Сплошная линия — сезонный ход, описываемый суммой первых трех гармоник сезонных вариаций. б — остаточные отклонения температуры (АТ) после вычитания гармоник сезонных вариаций.
В зависимости от анализа либо межгодовых или сезонных вариаций берется их стандартное значение (а^) за год или за месяц. В последнем случае для большей статистической значимости берутся данные за каждый месяц всех лет наблюдений.
Ночная изменчивость температуры мезопаузы обусловлена в основном приливами и ВГВ. При спектральных наблюдениях с регистрирующей ПЗС-матрицей некоторая доля наблюдаемой температурной изменчивости приходится на флуктуации темнового тока используемого приемника излучения. В данном случае изменчивость температуры, т.е. ее стандартное отклонение в течение ночи (а^), можно представить как
а и =
2 2
gw
+ а и
где аы, аgw, ап — стандартные отклонения, обусловленные соответственно приливами, ВГВ и флуктуациями темнового тока регистрирующей части спектрографа. Изменения темнового тока определялись при закрытой щели спектрографа в течение нескольких дней, в каждую из которых длина ряда измерений была сопоставима с длиной ряда натурных наблюдений гидроксильного излучения. Анализ показал его незначительное влияние на средненочную температуру, что поз-
воляет пренебречь вкладом ап в ааа. Однако при анализе ночной изменчивости температуры учет ап необходим. Для обоих спектрографов (Звенигород и Торы) эмпирически установлена его связь с интенсивностью и температурой излучения гид-роксила. Так, для звенигородского прибора она имеет вид
Ь
ап = а
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.