ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 841-848
УДК 551.510.385
ВЛИЯНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА ОБРАЗОВАНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ СЛОЕВ В СТРАТОСФЕРЕ
© 2004 г. В. Н. Маричев1, В. В. Богданов2, И. В. Живетьев2, Б. М. Шевцов2
1Институт оптики атмосферы СО РАН, Томск
2Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка,
(Камчатской обл.)
e-mail :marichev@iao .ru e-mail :ikir@ikir.kamchatka.ru
По результатам лидарных наблюдений, проведенных ночью над Томском в марте 1988 и 1989 гг., обнаружены аэрозольные слои с повышенными рассеивающими свойствами на высоте около 45 км, появившиеся во время магнитных бурь. Характерной особенностью динамики этих образований было опускание их на высоту до 10 км после прекращения геомагнитных возмущений со скоростью примерно 5 км в сутки, а при частом повторении магнитных бурь (1989 г.) устанавливался примерно линейный профиль распределения рассеивателей по высоте с положительным градиентом и квазистационарным потоком аэрозоля сверху вниз.
1. ВВЕДЕНИЕ
Интерес к вопросам влияния солнечной активности на формирование облачного покрова Земли связан с изучением механизмов передачи энергии Солнца в геосферы. Известно понижение интегральной прозрачности атмосферы во время солнечных вспышек, ионизирующее излучение которых (солнечные космические лучи) на высотах 40-50 км создает центры конденсации и вызывает образование аэрозолей [Скрябин и др. 1976; Мустель и др. 1980; Ролдугин и др. 1988, 1994; Ва-шенюк и др. 1995; Веретененко и др. 1996]. Наряду с этим известны и температурная реакция нижней атмосферы на воздействие солнечной активности [Пудовкин и др. 1992, 1997] и метеорологические проявления [Виницкий и др. 1991], но образование высотных аэрозольных слоев в стратосфере под воздействием магнитных бурь и их динамика еще не исследованы. Этому и посвящена настоящая работа.
Через 1-2 дня после солнечной вспышки начинаются геомагнитные возмущения. В основном они обусловлены токами в ионосфере, которые увлекают нейтральную компоненту, вызывают ее нагрев и конвективные движения с вертикальной скоростью до 100 м/с (http://ulcar.uml.edu/), способствующие проникновению ионов и их кластеров в верхние слои стратосферы и созданию там центров конденсации. В связи с чем, на высоте примерно 50 км и ниже во время магнитных бурь можно ожидать появления относительно мощных аэрозольных слоев, наблюдение которых вполне доступно для современных лидарных систем [Ельников др. 1991]. Возможен и непо-
средственный перенос ионосферного аэрозоля, образующегося из продуктов сгорания метеоритов, в верхние слои стратосферы во время магнитной активности. При указанных скоростях конвекции характерное время переноса составит десятки минут. Важно, что эти механизмы образования аэрозоля проявляются с задержкой 1-2 дня после действия солнечных космических лучей, а продуктивность их связана с интенсивностью вариаций геомагнитного поля и сохраняется на всем продолжении магнитной бури. Это и должно проявляться в динамике аэрозольных слоев.
В качестве основного параметра в лидарных измерениях рассматривается отношение Я(Н) суммы коэффициентов обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния к коэффициенту обратного молекулярного рассеяний, где Н - высота над земной поверхностью. В предлагаемой работе будет исследована корреляционная связь величины Я(Н) с геомагнитной возмущенностью, характеризуемой суммарным суточным индексом геомагнитной активности ХКр. Такое же сопоставление Я(Н) будет выполнено и с потоками галактических космических лучей.
2. ЛИДАРНЫЙ КОМПЛЕКС
Лидарные наблюдения за вертикальным распределением аэрозоля в стратосфере проводятся Институтом оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) с 1986 г. [Ельников и др., 1991]. Достигаемое при этом пространственное и временное разрешение в интервале высот 10-45 км составляет 100 м и 20-30 мин соответственно.
Рис. 1. Блок-схема аэрозольного лидара.
Блок-схема лидара приведена на рис. 1. В передатчике лидара используются два источника излучения: импульсный твердотельный лазер ЛТИ 701 с непрерывной накачкой активного элемента (алюмоиттриевого граната), модуляция излучения которого осуществляется акустооптическим затвором, и эксимерный ХеС1 - лазер с ВКР-пре-образованием на водороде. Оба лазера используются для измерения отношения рассеяния Я(Н) на длине волны 532 или 353 нм, что повышает надежность наблюдений.
Телескоп приемной системы с диаметром зеркала 1 м выполнен по схеме Ньютона. Технические параметры как передатчика, так и приемо-ре-гистрирующей системы, приведены в табл. 1.
Уменьшение расходимости лучей лазеров на выходе лидара с помощью коллиматора и неустойчивого резонатора до 0.1 и 0.2 мрад позволило сократить поле зрения телескопов до 1-2 мрад, тем самым значительно уменьшив уровень фоновых шумов. Для предотвращения перегрузок ФЭУ от сигналов ближней зоны в главном телескопе предусмотрена их отсечка механическим затвором М.
Обратно рассеянное лазерное излучение собирается зеркалами и через полевые диафрагмы, выполняющие функцию пространственного селектора, поступает в блок спектральной фильтрации, в котором установлены сменные интерференционные светофильтры ИС и светоделитель-ные пластины СД.
Зондирование проводится в ночное время суток. Прием рассеяния с больших высот осуществляется в режиме счета фотонов. Однофотонные сигналы с ФЭУ усилителем-формирователем У-Ф преобразуются в стандартные импульсы и направляются на счетчик фотонов, соединенный с
персональным компьютером, который осуществляет управление лидаром, сбор, накопление, хранение и обработку данных.
Для управления экспериментом, расчета вертикальных профилей стратификации аэрозоля и погрешностей измерений был разработан пакет программ, написанный на языке TURBO PASCAL с пользовательским интерфейсом в среде MS DOS.
Относительная погрешность измерений зависит от числа принятых фотонов с заданной высоты, которое определяется длительностью строб-импульса, управляющего работой фотоприемника, числом лазерных выстрелов и плотностью аэрозоля. Время накопления сигнала выбиралось таким, чтобы относительная погрешность измерений не превышала 10%. Для решения поставленной задачи будут рассматриваться данные с пространственным разрешением по высоте 1 км и временем накопления несколько часов.
3. АНАЛИЗ ЛИДАРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
В качестве меры, характеризующей возмущенное состояние атмосферы, рассматривалось стандартное отклонение от среднего по ансамблю отношений коэффициентов рассеяния R(h) [Мустель и др., 1989]. Средние сезонные профили вместе со стандартными отклонениями приведены на рис. 2 [Маричев, 1998]. Начиная с определенных высот, отмечается возрастание и среднего, и дисперсии профилей, что особенно выражено для весеннего сезона. Анализ индивидуальных профилей отношения R(h) показал, что на высоте более 23 км появляются слои с повышенными рассеивающими свойствами. А динамика профилей указывает на то, что слои перемещаются сверху вниз.
Таблица 1. Технические характеристики лидара
Передатчик
Лазерный источник X, нм E, мДж P, Вт F, Гц
Nd:YAG 532 1 1-3 1-3 х 103
XeCl 308 40-60 1.6-3.6 40-60
XECL + BKP(H2) 353 20-40 0.8-2.4 40-60
Расходимость Nd:YAG - 0.1
лазеров, мрад
(XeCl) - 0.2-0.3
Приемник
Приемный телескоп Фокус, м Поле зрения, мрад Принимаемые длины волн, нм
Система Ньютона, зеркало D = 1 м 2 1 308, 331, 347, 353, 384, 532
Регистрация
Режим счета фотонов Фотоприемники: ФЭУ-130
Счетчики фотонов
Количество каналов Разрядность Количество стробов в канале Длительность (протяженость) строба
1 2 1 256 4096 512 78 нс (12 м) 666 нс (100 м)
На рис. 3 представлены результаты измерений, выполненных в марте 1988 г. и 1989 г. В табл. 2 сведены значения XKp, взятые из системы SPIDR (Space Physics Interactive Data Resource). Расширение табл. 2 за счет включения последних двух дней февраля и первых семи дней апреля 1988 г. будет использовано ниже. Дни, в которые проводились измерения, выделены в таблицах жирным шрифтом. Из табл. 2 и рис. 3а, б видно, что эти серии наблюдений (3-6, 15-19 марта) пришлись на период среднего геомагнитного возмущения с максимальными значениями YXp, равными 26.0 и 26.6, зафиксированными соответственно 4 и 15 марта, а начало этих возмущений пришлось на 3 и 14 марта.
Рис. 3a показывает, что 3 марта были зарегистрированы слои с повышенным содержанием аэрозоля на высотах 32-41 км (1.1 < R < 1.2) и 10-21 км (1.14 < R < 1.19), но 4 марта толщина верхнего слоя уменьшилась и стала 38-42 км (1.1 < R < 1.2), а содержание аэрозоля в слое 10-21 км увеличилось (1.18 < R < 1.25). Получилось, что рассеива-тели опустились на более низкие высоты. Одновременно с этим 4 марта образовался узкий промежуточный слой 23-26 км (1.1 < R < 1.8). 5 марта верхний аэрозольный слой практически распался (41-43 км, 1.1 < R < 1.12) при сохранении структуры слоев ниже 26 км. Следует отметить, что 5 марта
характеризовалось слабой геомагнитной возму-щенностью с ЪКр = 15.3, а 6 марта началась новая магнитная буря (ЪКр = 25.6). В этот день лишь на малых высотах 10-18 км продолжал сохраняться однородный аэрозольный слой при отсутствии аномалий в распределении на высотах выше 20 км.
Рассмотрим вторую группу наблюдений с 15 по 19 марта, представленную на рис. 36. Из табл. 2 следует, что геомагнитное возмущение началось
14 числа, достигнув максимума 15 марта. В этот день, а также 16 марта, слой аэрозоля наблюдался на высотах 14-20 км (1.1 < Я < 1.15). 17 марта на высотах 23-26 км сформировался слой (1.1 < Я < 1.17), который, несколько ослабнув, сохранился и 18 марта. А 19 марта на высотах 10-19 км было зафиксировано усиление мощности аэрозольного слоя с отношением рассеяния в интервале 1.1 < Я < 1.28. Геомагнитное возмущение, достигнув максимума
15 марта, постепенно уменьшалось, и к 19 марта уровень геомагнитной активности снизился до значения ЪКр = 9.3.
Рассмотрим на рис. 3в третью группу экспериментальных данных. 24 марта характеризовалось затишьем (ЪКр = 9.3), а 27, 28 и 30 марта наблюдалось сильное геомагнитное возмущение (см. табл. 2). Если с 19 по
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.