научная статья по теме ВАРИАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕЗОСФЕРНОГО ОЗОНА ВО ВРЕМЯ ПОЛНОГО СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 29 МАРТА 2006 ГОДА ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВАРИАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕЗОСФЕРНОГО ОЗОНА ВО ВРЕМЯ ПОЛНОГО СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 29 МАРТА 2006 ГОДА ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИИ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 522-526

УДК 551.510.534:550.388.8

ВАРИАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕЗОСФЕРНОГО ОЗОНА ВО ВРЕМЯ ПОЛНОГО СОЛНЕЧНОГО ЗАТМЕНИЯ 29 МАРТА 2006 ГОДА ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИИ

© 2008 г. Ю. Ю. Куликов, А. А. Красильников, В. М. Демкин, В. Г. Рыскин

Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: yuyukul@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 27.09.2006., после доработки 28.09.2007 г.

Приводятся результаты микроволновых наблюдений изменчивости содержания озона в верхней стратосфере и нижней мезосфере во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. на Кис-ловодской высокогорной научной станции. Во время затмения зарегистрировано увеличение концентрации мезосферного озона. На высоте 60 км ее рост составил 40%. Это значение близко к величине суточных вариаций озона.

Во время затмения на озоновый слой воздействует переменное по времени и по спектральному составу солнечное излучение (длины волн 200-400 нм). Изменения спектрального потока ультрафиолетового излучения могут вызвать изменения вертикального распределения и общего содержания озона (ОСО). Во время затмений в большинстве случаев исследовались вариации ОСО. Данные таких наблюдений [1-3] представляют довольно противоречивые сведения о поведении ОСО в период солнечных затмений. По мнению авторов монографии [1], которые выполнили анализ всех имеющихся на тот момент данных наблюдений ОСО (до 1983 г.), нет оснований для утверждения о существовании колебаний ОСО, обусловленных воздействием солнечного затмения, которые превышали бы погрешности измерений ОСО. Численное моделирование влияния изменений потока солнечной радиации во время затмения на содержание малых газовых примесей [4] показало, что под действием только этих факторов ОСО может измениться на доли процента. Тем не менее во время солнечного затмения 24 марта 1995 г. над Индией были зарегистрированы значительные вариации ОСО [2]. За 15 мин до максимальной фазы затмения (~90%) началось быстрое уменьшение ОСО, а через 10 мин после максимальной фазы в течение 5 мин содержание О3 возросло примерно на 70 е.Д. Невозмущенная величина ОСО составляла около 300 е.Д. Похожие "быстрые" вариации ОСО (с меньшим размахом) наблюдались во время солнечного затмения 11 августа 1999 г. (максимальная фаза ~96%) в Болгарии [3]. Наблюдаемые вариации ОСО трудно объяснить изменениями концентрации озона в нижней и средней стратосфере из-за большого фотохимического времени жизни

озона в этой области атмосферы. Гипотетической причиной снижения ОСО могло бы быть увеличение концентрации окислов азота на высотах 20-40 км. Согласно [5], во время затмения возрастает на 60-70% общее содержание двуокиси азота (основная часть К02 находится на этих же высотах). Другой причиной может быть то, что возникающий во время затмения температурный градиент создает динамическую неустойчивость, которая могла бы повлиять на атмосферную циркуляцию и тем самым на ОСО. Что касается вертикального распределения озона, то изменения плотности озона должны происходить в верхней части озонового слоя (выше 40 км), где время фотохимической релаксации О3 достаточно мало. В высотном интервале 40-80 км заключена часть озонового слоя, наиболее быстро реагирующая на изменения радиации Солнца, вызываемые как вращением Земли, что приводит к суточному ходу мезосферного О3, так и попаданием Земли в тень Луны. Кроме того, влияние на вертикальное распределение озона могут оказать внутренние гравитационные волны, которые создаются сверхзвуковым прохождением терминатора в полосе полного солнечного затмения. Наиболее подходящим инструментом для исследования отклика озона средней атмосферы на быстрые изменения озо-ноактивного излучения Солнца является наземная микроволновая радиометрия с высоким временным разрешением. На настоящий момент имеется несколько работ, в которых выполнены микроволновые наблюдения стратосферного озона во время частичных солнечных затмений [6-8]. Основным результатом этих наблюдений явилась регистрация роста содержания мезосферного озона на 40-60% в период затмения.

ВАРИАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕЗОСФЕРНОГО ОЗОНА

523

Микроволновые наблюдения стратосферного озона были проведены во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. в окрестности Кисловодска на Высокогорной научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (43.7°N, 42.7°E высота над ур. моря 2070 м). Для решения этой задачи был использован уникальный мобильный микроволновый озонометр [9]. Характеристики прибора: рабочая частота -110836.04 МГц, однополосная шумовая температура - 2500 K, полоса анализа - 240 МГц, спектральное разрешение - от 1 до 10 МГц, число каналов - 32. Габариты - 500 х 225 х 125 мм, вес - 10 кг. Рабочие характеристики прибора позволяют измерять спектр линии излучения стратосферного озона за 10 мин и оценить вертикальный профиль озона в интервале высот 22-60 км. Управление прибором, сбор данных и их предварительная обработка осуществляются с помощью персонального компьютера.

В наблюдениях был задействован метод вариации зенитного расстояния, который позволяет проводить калибровку атмосферной линии излучения озона. Тепловое излучение атмосферы принималось на антенну озонометра (скалярный рупор диаметром 35 мм) под углом к горизонту 20° в направлении Главного Кавказского хребта. Оценка вертикального распределения озона была выполнена методом подгонки. В процедуре восстановления профиля О3 были использованы зональная модель вертикальных профилей давления и температуры.

Затмение в Кисловодске началось в 14:03, наибольшая фаза пришлась на 15:17 и конец затмения - на 16:28 (время московское). Ширина полосы затмения на поверхности земли составляла около 200 км. Продолжительность полной фазы 2 мин 32 с. Высота Солнца над горизонтом во время затмения составила около 40°. В день затмения в основном было ясное небо с 00:00 ч до 12:30, потом появилась местная облачность, которая исчезла примерно за полчаса до максимальной фазы закрытия Солнца и больше не появлялась до конца дня. Атмосферное давление в течение дня было 596 мм рт. ст. Средняя приземная температура воздуха 29 марта составила 3.1 °С (перепад ночной и дневной температуры от - 4°С до 10°С). Во время затмения наблюдалось снижение температуры от 10.6°С в начале затмения до 2.2°С в момент полной фазы.

На рис. 1 показаны зависимости интенсивности линии озона на резонансной частоте 110.8 ГГц (верхняя панель) и тропосферного ослабления (нижняя панель) от времени в день полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. Каждая точка на графике получена со временем накопления около 12 мин. Вертикальными пунктирными линиями показаны моменты начала и конца затме-

ния. Величина тропосферного ослабления (оптическая толщина) характеризует физические условия наземных наблюдений спектральной линии стратосферного озона. Эта величина состоит из двух частей. Одна часть "постоянная", которая связана с поглощением миллиметровок волн атмосферным кислородом, а другая - "переменная" - определяется содержанием водяного пара в тропосфере. Был выполнен модельный расчет "кислородной части" оптической толщины с использованием данных о вертикальных профилях давления, температуры и влажности (http://www.nomad2.ncep.noaa.gov) в день затмения для места наблюдений [10]. Она составила 0.0922 Нп. Приводимые на рис. 1 вариации тропосферного ослабления, по-видимому, определяются переменностью содержания водяного пара. Размах изменений содержания водяного пара (в единицах осажденной воды) составил от ~1 мм (интервал времени 9:30-11:30) до ~10 мм, и это максимальное значение имело место в 14:20 по московскому времени. Содержание водяного пара начало возрастать около полудня и достигло максимума через 15 мин после начала затмения. В дальнейшем (после затмения) до конца дня содержание осажденной воды составило ~2.4 мм. Причины, вызвавшие колебания содержания водяного пара в день затмения, возможно, связаны с движением лунной тени. Следует отметить, что в немногочисленных работах, посвященных микроволновым наблюдениям стратосферного озона во время частичных солнечных затмений [6-8], не отмечалось значительных вариаций содержания водяного пара.

На рис. 2 показаны изменения концентрации озона (время усреднения для каждой точки на рисунке - один час) на высотах 25, 40 и 60 км в день затмения 29 марта 2006 г. Среднесуточная величина концентрации О3 на высоте 25 км составила (4.11 ± 0.14) х 1012 см-3 при размахе изменений 14%. Колебаний О3 на этой высоте во время затмения не наблюдалось. Среднесуточная величина концентрации О3 на высоте 40 км составила (4.36 ± 0.23) х 1011 см-3 при размахе изменений 28%. На восходе Солнца заметна составляющая суточного хода озона. Понижение концентрации О3 составило около 10% при ее ночном значении (4.49 ± ± 0.21) х 1011 см-3 и дневном значении (4.08 ± 0.13) х х 1011 см-3. Эта величина дневной концентрации озона соответствует временному интервалу от восхода Солнца до начала затмения. Среднесуточная величина концентрации О3 на высоте 60 км составила (6.74 ± 1.47) х 109 см-3 при размахе изменений 127%. Горизонтальными линиями показаны средние величины концентрации озона ночью (с 20:57 28.03.2006 по 07:07 29.03.2006 и с 18:59 29.03.2006 по 03:05 30.03.2006) и днем (с 06:55 по 13:59 и с 15:56 по 19:11 29.03.2006). Кроме того, приведена усредненная величина концентрации О3 за время солнечного затмения (интервал около двух ча-

е К

13 0.035

о а а и а ч л н о о и м а

о

И

^

н и К

0.030

0.025 -

0.20 -

е К

а

и

^

ю

сЗ Ч

О О 1) о и

а

^

Ф

о о е о а Н

0.16 -

0.12 -

0:00

6:00

12:00

18:00

24:00 Время, ч:мин

Рис. 1. Вариации интенсивности атмосферной линии озона (резонансная частота 110.836 ГГц) и тропосферного ослабления в день полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. (вертикальными пунктирными линиями обозначены начало и конец затмения).

сов). Ночные и дневные значения концентрации озона для двух интервалов времени составили (8.10 ± 0.39) х 109 см-3 и (7.00 ± 0.16) х 109 см-3, (5.11 ± 0.13) х 109 см-3 и (5.0

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.

Показать целиком