Некоторые результаты наблюдений пространственных неоднородностей в эмиссии гидроксила

Известно, что энергетика верхней атмосферы существенно меняется при прохождении внутренних гравитационных волн (ВГВ). ВГВ участвуют в переносе энергии из нижней атмосферы в верхнюю, тем самым меняя ее температурный и динамический режимы [Francis, 1975]. Волновые возмущения в верхней атмосфере, возникающие при прохождении ВГВ, приводят к возникновению пространственных и временных вариаций в свечении ночного неба. Для исследования волновой активности на высотах средней и верхней атмосферы используются, помимо лидарных и спутниковых измерений, измерения естественного излучения эмиссионных слоев, находящихся на высотах верхней атмосферы. В настоящей работе приводятся предварительные результаты наблюдения волновых структур верхней атмосферы, зарегистрированные в излучении эмиссии гидроксила с помощью широкоапертурной инфракрасной ПЗС-камеры в Геофизической обсерватории Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН).

Аппаратура и методика обработки

В Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН в феврале 2009 г. установлены и запущены в опытную эксплуатацию широкоапертурные цифровые камеры, регистрирующие пространственную неоднородность в излучении эмиссии ОН. Обсерватория расположена в Тункинской долине вблизи пос. Торы, Бурятия (51 ° N, 103 ° E, высота 673 м над уровнем моря). Это место характеризуется большим количеством ясных дней в году и, в силу удаленности от промышленных районов, высокой степенью прозрачности атмосферы.

Инфракрасная ПЗС-камера состоит из оптического блока, регистрирующей ПЗС-матрицы и системы охлаждения. Используется широкоугольный объектив Sigma (15 мм, f/ 2.8) с углом зрения 180 ° , широкополосный стеклянный фильтр КС-19, обрезающий коротковолновую область спектра меньше

720 нм. Верхняя граница спектрального диапазона инструмента ограничена падением чувствительности ПЗС-матрицы до нуля в районе 1000 нм. В качестве регистрирующего устройства используется ПЗС-камера «Видеоскан 11002/O/П/2001» с разрешением снимка 4008×2672 пикселей, размер пикселя – 9×9 мкм, разрядность оцифровки – 12 бит. Камера имеет встроенную термоэлектрическую систему охлаждения, снижающую температуру кристалла до -25 ° С. В собранном виде с защитным кожухом угол зрения камеры составляет ~ 80 ° .

Для исследования волновых возмущений были использованы данные инфракрасной ПЗС-камеры, а также цветной ПЗС-камеры, имеющей сходные характеристики, но регистрирующей ночное небо в оптическом диапазоне. Съемки ночного неба проводились преимущественно в ясные, безлунные ночи с февраля по декабрь 2009 г. Время экспозиции инфракрасной камеры – 3 мин, цветной – 5 мин. Излучение, регистрируемое в цветовых R–G–B-каналах цветной ПЗС-камеры, в большей степени обусловлено континуумом собственного свечения верхней атмосферы, так как при больших спектральных интервалах регистрации ( - 100-150 нм) континуум становится основным компонентом в свечении ночной атмосферы. В канале R существенный вклад в регистрируемый сигнал вносит излучение гидроксила ОН. В этом случае регистрируемые волновые структуры в инфракрасной и цветной ПЗС-камерах в большинстве случаев были подобны, и полученные данные могли дополнять друг друга.

Для четкого выделения волновых возмущений создана программа, использующая метод временного дифференцирования (time differencing method), описанный в работе [Swenson, Mende, 1994]. Идея алгоритма обработки заключается в построении картины разности интенсивностей двух последовательных кадров. В первую очередь изображения нормализуются, затем для второго изображения выбираются координаты осевой точки и угол поворота изображения; изображение поворачивается вокруг оси на заданный угол, далее происходит попиксельное вычитание двух кадров, при этом все неподвижные объекты вычитаются, и на кадре остается картина движения неоднородностей ночного неба.

Также в работе были использованы данные интенсивности собственного свечения атмосферы на длине волны 557.7 нм, полученные с помощью 4-канального зенитного фотометра, установленного в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН.

Полученные результаты

Получаемые с помощью инфракрасной ПЗС-камеры изображения представляют собой 16-битные файлы TIF-формата. На рис. 1, а приведена исходная картина ночного неба в инфракрасном спектральном диапазоне для 20 декабря 2009 г. (03:20 LT). При последующем анализе полученных данных исходные файлы инфракрасной и цветной ПЗС-камер используются для контроля облачности, степени прозрачности атмосферы и т. д. На рис. 1, б показана та же картина для 20 декабря 2009 г., обработанная методом временного дифференцирования.

Исследованию волновых структур, регистрируемых в излучении эмиссии гидроксила на средних широтах, посвящено достаточно большое количество работ, например [Taylor, 1993, 1995; Nakamura, et al., 1999; Гаврильева, Амосов, 2001]. В работах [Taylor, 1993, 1995] наблюдаемые волновые возмущения были разделены на два типа: «полосы» (“band waves”) и «рябь» (“ripple wave”). В работе [Nakamura, et al., 1999] данная классификация получила дальнейшее подтверждение: неоднородности, имеющие длину волны более 17.5 км, были отождествлены с «полосами»,

Рис . 1. Исходная ( а ) и обработанная методом времен ного дифференцирования ( б ) картина ночного неба 20 декабря 2009 г . (03:20 LT).

а менее 17.5 км – с «рябью». При регистрации волновых возмущений за период февраль–декабрь 2009 г. в Геофизической обсерватории ИЗСФ СО РАН, помимо описанных типов, наблюдались также структуры «неоднородность» и «одиночная волна».

Волновая структура «неоднородность» (рис . 2, а ) характеризуется хаотичными возмущениями, не имеющими строго определенного направления перемещения. Структура «одиночная волна» (рис. 2, б ) имеет вид гребня протяженностью фронта 50–80 км. В некоторых случаях перемещение «одиночной вол-

Рис . 2. Типы наблюдаемых волновых структур . « Не однородность » ( а ); « одиночная волна » ( б ); « полосы » ( в ); « рябь » ( г ).

ны» сопровождалось (через 10–15 мин после прохождения волны) движением структуры типа «рябь» в строго противоположном направлении. Данный сценарий достаточно хорошо согласуется с результатами модельного расчета перемещения и затухания ВГВ, полученными в работе [Chun, Kim, 2008]. Волновые структуры «полосы» и «рябь» (см. рис. 2, в , г соответственно) представляют собой волны с характерными длинами от 17 до 30 км для «полос» и от 4 до 16 км для «ряби». За рассмотренный период февраль–декабрь 2009 г. перечисленные волновые возмущения в излучении эмиссии OH наблюдались практически каждую ясную безлунную ночь, что может свидетельствовать о наличии постоянного источника возмущений.

Во многих работах [Taylor, 1993; Гаврильева, Амосов, 2001; Medeiros, et al., 2003] отмечается сезонная зависимость распределения направлений распространения волновых возмущений: зимой перемещение происходит преимущественно на запад, а летом – на восток. Такой сезонный характер движения согласуется с теорией фильтрации фоновым ветром средней атмосферы волн, генерируемых в нижней атмосфере, [Taylor, 1993]. Также в работах [Nakamura, et al., 1999; Walterscheid, et al., 1999; Hecht, et al., 2001; Smith, et al., 2000] отмечается меридиональная анизотропия в сезонном распределении направлений распространения волновых возмущений: зимой волны движутся в южном, а летом – в северном направлении.

На рис. 3 представлено азимутальное распределение наблюдаемых волновых возмущений в излучении эмиссии ОН, зарегистрированных в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН в рассматриваемый период. Несмотря на преобладание северовосточного и юго-восточного направлений распространения возмущений прослеживается также и сезонная зависимость: зимой преобладает юго- и северо-восточное направление, весной – северо-западное, осенью – северо-западное и юго-восточное. В летний сезон из-за малого количества ясных безлунных ночей характерное направление движения возмущений выделить не удается. Предположительно сезонный характер смены направлений распространения возмущений связан с меридиональной анизотропией направления распространения волновых возмущений.

Гистограмма частот регистрации волновых структур в зависимости от времени суток для декабря 2009 г. представлена на рис. 4. Как и для большинства других месяцев, доминируют вечерние и утренние часы регистрации возмущений.

Для сравнения частоты появления волновых структур в эмиссии OH и суточных вариаций амплитуд возмущений эмиссии 557.7 нм были сопоставлены данные частоты регистрации волновых структур и динамические спектры вариации эмиссии 557.7 нм, усредненные за декабрь 2001 г. (рис. 5).

Характерными особенностями в большинстве полученных спектров вариаций эмиссии 557.7 нм являются их достаточно сильная изменчивость в течение ночи и усиление амплитуд короткопериодических вариаций в околосумеречные и околополуночные

Рис . 3. Азимутальное распределение наблюдаемых волновых возмущений в излучении эмиссии ОН , зареги стрированных за период февраль – декабрь 2009 г .

В емя, LT

Рис . 4. Гистограмма частоты регистрации волновых структур в зависимости от времени суток для декабря 2009 г .

Время (UT)

Рис . 5. Динамические спектры короткопериодических вариаций эмиссии 557.7 нм , усредненные для декабря 2001 г .

часы наблюдений, что согласуется со временем регистрации большинства волновых структур в эмиссии OH. Предположительно источником наблюдаемых волновых структур в околосумеречные часы может являться движущийся терминатор. В работе [Wickersham, 1968] показано наличие условий для возникновения верхней границы волновода для ВГВ на высотах 150–165 км, где градиент термобарического периода максимален. На восходе Солнца в этом диапазоне высот, по мнению автора, могут генерироваться гравитационные волны в результате теплового возмущения коротковолновым солнечным излучением локальной шкалы высот и температуры, что ведет к вздутию атмосферы данной области и соответственно к вертикальному смещению частиц воздуха.

Заключение

В результате предварительного анализа наблюдений пространственных неоднородностей в излучении эмиссии гидроксила можно сделать следующие выводы.

За рассмотренный период февраль–декабрь 2009 г. волновые возмущения в излучении эмиссии ОН наблюдались практически каждую ясную безлунную ночь, что может свидетельствовать о наличии постоянного источника возмущений. Наиболее вероятное время регистрации волновых структур – око-лосумеречные часы.

Регистрируемые волновые структуры в большинстве случаев могут быть отнесены к известным типам «полосы» (“band waves”) и «рябь» (“ripple wave”). В некоторых случаях регистрируются возмущения типа «одиночная волна» и хаотические возмущения, не имеющие строго определенного направления перемещения.

В азимутальном распределении направлений распространения волновых возмущений отмечается сезонная зависимость с преобладанием северо-восточного, юго-восточного и северо-западного направлений в различные сезоны, т. е. вклад меридионального направления распространения волновых возмущений представляется существенным.

В отдельных случаях перемещение и затухание волновых структур типа «одиночная волна» сопровождались появлением и распространением возмущений типа «рябь» в строго противоположном направлении.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 08-05-92208-ГФЕН_а и Программы Президиума РАН № 16 (часть 3).