ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 5, с. 576-586
УДК 551.510.533;533.9
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ВОЗМУЩЕНИЯ СОСТАВА МЕЗОСФЕРЫ И ОПТИЧЕСКИХ ЭМИССИЯХ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ВЫСОТНЫМИ РАЗРЯДАМИ
© 2013 г. А. А. Евтушенко*, **, Ф. А. Кутерин*, **, Е. А. Мареев*, **
*Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 E-mails: a_evtushenko@inbox.ru, xredor@gmail.com, mareev@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 28.09.2012 г., после доработки 18.01.2013 г.
Предложена и исследована система уравнений для описания динамики состава мезосферы под действием высотных разрядов (спрайтов, гало), включающая 267 химических реакций и соответствующие параметризации возмущений электрического поля и температуры электронов. На основе предложенной системы проведено моделирование возмущений ионного состава, нейтральных компонент и оптических эмиссий ночной мезосферы на высотах 77—85 километров, обусловленных спрайтами. Основное внимание уделено динамике возмущений концентраций электронов и характерных для исследуемых высот ионов O+, NO+, H3O+, H5O+, N+. Определены основные химические реакции, приводящие к возмущению концентрации ионов и рассмотрена динамика релаксации химических компонент. Учет возбужденных состояний атомов и молекул азота и кислорода позволил промоделировать излучение вспышки спрайта, а также вычислить объемную скорость эмиссии фотонов и исследовать влияние спрайта на нейтральные компоненты мезосферы.
Ключевые слова: высотные разряды, химия мезосферы, молния, спрайт, грозовая активность.
Б01: 10.7868/80002351513050039
ВВЕДЕНИЕ
Открытие высотных разрядов (спрайтов, эльфов, джетов, гало) привело к возникновению целого ряда новых проблем перед специалистами по физике и химии атмосферы [1—4], среди которых одной из наиболее сложных и практически важных является проблема возможного влияния высотных разрядов на состав средней атмосферы [5—15]. Первые публикации по данной проблеме были посвящены разрядам в стратосфере — дже-там и их влиянию на содержание озона [5]. Джеты — это разряды, стартующие в верхней части облака и распространяющиеся до высот порядка 40 км со скоростью около 100 км/с. Модель, предложенная в статье [5], содержала небольшое количество реакций, но позволила автору дать количественную оценку возмущений оксидов азота и озона при развитии джета. В статье [7], также посвященной джетам, представлена модель для 33 компонент и 166 реакций, посредством которой продемонстрирована важность учета возбужденных состояний азота и кислорода для описания динамики N0. Влияние высотных разрядов на стратосферу остается важным и недостаточно изученным вопросом,
хотя, как показывают результаты недавних экспериментальных работ, среди высотных разрядов джеты представляют собой наиболее редкие и трудно регистрируемые события [16].
В настоящее время основное внимание в литературе по высотным разрядам уделяется спрай-там. Спрайты — это высотные разряды, возникающие в мезосфере и нижней термосфере на высотах от 50 до 90 км и тесно связанные с молниевой активностью. Физический механизм возникновения спрайтов [3, 13] заключается в следующем. После мощного положительного разряда облако—земля в облаке образуется слой некомпенсированного отрицательного заряда над проводящей поверхностью Земли. Электрическое поле этой системы зарядов можно с достаточной степенью точности на высотах мезосферы описывать в дипольном приближении. Основанные на наблюдениях оценки [13] показывают, что после мощных разрядов облако—земля электрическое поле на высотах мезосферы достигает сотен вольт на метр, температура электронов увеличивается до полутора-двух электрон-вольт на временах порядка десятков микросекунд. При этом температура нейтрального газа практически не изменяет-
ся. Электрическое поле диполя падает с высотой по степенному закону, а поле, необходимое для пробоя атмосферы, пропорционально плотности нейтральных частиц, которая падает экспоненциально. В ночных условиях на высоте 73—77 км поле диполя становится достаточным для пробоя атмосферы, и происходит инициация спрайта. Далее разряд развивается вверх и вниз.
Отдельного обсуждения заслуживают спрай-ты, зажигающиеся в дневных условиях. В настоящее время отсутствуют оптические изображения дневных высотных разрядов по причине недостаточной чувствительности фото-видеокамер, используемых для наблюдений. Дневные спрайты детектируются по характерной форме низкочастотных электромагнитных сигналов, приходящих из области с высокой молниевой активностью. Проводимость мезосферы существенно изменяется в течение суток. Ночью проводимость на 1—2 порядка меньше, чем в дневных условиях, и электрическое поле легче проникает на высоты ме-зосферы. Для достижения пробойных полей и зажигания спрайта днем необходим существенно больший, чем в ночных условиях, дипольный момент, создаваемый нескомпенсированным зарядом в облаке — 1000 Кл • км и выше [17], что реализуется весьма редко. В данной статье мы остановимся на изучении спрайтов только в ночных условиях.
В верхней части спрайта разряд развивается во всем объеме — это диффузная область спрайта [18]. Верхняя граница спрайта определяется проводимостью мезосферы, которая, начиная с высот мезопаузы (83—85 км), резко возрастает. Поскольку поле не может проникнуть в область с высокой проводимостью, верхняя граница спрайтов редко превышает 90 км. Развитие разряда вниз, где среднее поле ниже пробойного, идет путем формирования стримеров. Скорости ряда плазмохимиче-ских реакций существенно зависят от температуры электронов и напряженности электрического поля [9, 14, 19]. Поэтому во время мезосферного разряда должны увеличиваться не только концентрация электронов, но и концентрации ионных компонент, а также возбужденных атомов и молекул.
Спрайты являются наглядным проявлением разрядных процессов в глобальной электрической цепи. Кроме исследования фундаментальных процессов поддержания ионизации ночной нижней ионосферы и функционирования глобальной электрической цепи, изучение спрайтов имеет важное прикладное значение. Так, возмущения ионизации D-слоя влияют на условия распространения радиоволн на низких частотах, так называемого ОНЧ диапазона. Как показано в работе [20], обусловленные спрайтами возмущения D-слоя мезосферы приводят к существенным вариациям амплитуды и фазы сигнала на ОНЧ трассах. Сильные возмущения, обусловленные наиболее мощными разрядами могут проявляться при радиопросвечивании ионосферы и влиять на точность геофизических и астрофизических изме-
рений этим методом [21]. Особенно существенны эти эффекты над мезомасштабными конвективными системами, которые характеризуются повышенной молниевой активностью и длительным временем существования (до 10—12 часов), а также обилием мощных молниевых разрядов, переносящие на землю положительный заряд и создающих условия для генерации спрайтов [22]. Наконец, исследование динамики основных и возбужденных состояний молекул, атомов и ионов в мезосфере и нижней термосфере очень важно для развития методов дистанционной диагностики состояния этой наиболее труднодоступной для прямых измерений области атмосферы. Так, в работе [23] предлагается использовать спутниковые оптические измерения спрайтов для оценки возмущений электрического поля и некоторых характеристик реакции тушения возбужденных состояний молекул азота.
Первая достаточно детальная модель для описания химических возмущений во время вспышки спрайта была предложена Сентманом в 2008 г. [9]. В этой работе моделируется влияние разряда на высоте 70 км в ночных условиях на химический состав мезосферы. Исследованию стримеров спрайта посвящена работа [14], где для высот 63, 68 и 78 км изучена динамика химической системы из 75 компонент и более чем 500 реакций. Детально проанализированы возмущения концентраций возбужденных состояний азота и кислорода и связанными с ними эмиссиями в оптическом, ультрафиолетовом, инфракрасном диапазонах. В работе [24] рассчитано распределение электронов по энергии и уделено особое внимание динамике колебательно возбужденных состояний азота. В работах [15, 25] была предложена плазмохимическая модель спрайта и исследованы возмущения ионного состава при различных по длительности и амплитуде возмущениях электрического поля, создаваемых спрайтом.
Настоящая работа является продолжением предыдущей работы [15] и посвящена численному моделированию динамики химического состава ночной мезосферы в области спрайта во время вспышки и после нее. Наряду с динамикой химических компонент, анализируются оптическое и инфракрасное излучение спрайта на основных частотах. В отличие от работ [9, 14, 26, 27], в настоящей работе рассматривается диффузная часть спрайта на высотах 77 и 85 км. Данные высоты существенно отличаются по химическому составу. Например, на высоте 77 км доминирующими
ионами являются ионы-связки и 0+, а на 85 км О+ и N0+ [28]. Также на этих высотах существенно отличается плотность атмосферы, что влияет на протекание многих реакций, входящих в модель, которые зависят от параметра 9 — отношения напряженности электрического поля к концентрации нейтрального газа с коэффициентом 10-16.
Заметим, что развиваемый программно-вычислительный комплекс может быть применен к исследованию других видов высотных разрядов. Так, гало часто сопутствует спрайтам и возникает на тех же высотах, что и их диффузная часть. Поэтому для изучения гало достаточно применить развиваемую модель в условиях заданного под-пробойного электрического поля, что и планируется сделать в ближайшее время. Изучение же голубых джетов, гигантских джетов и стримерной части спрайтов требует учета большего количества химических реакций из-за существенного отличия химического состава верхней части ме-зосферы от ее нижней части и стратосферы и самосогласованного учета электрического поля.
В первом разделе проводится постановка задачи и описание модели возмущения химии мезо-сферы высотными разрядами. Во втором и третьем разделах приводятся результаты
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.