Новый подход к построению модели верхней атмосферы земли с использованием спутниковых локальных данных об атмосфере

НОВЫЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ

ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

СПУТНИКОВЫХ ЛОКАЛЬНЫХ ДАННЫХ ОБ АТМОСФЕРЕ

¹ С . И . Болдырев , ¹ О . П . Коломийцев , ¹ Г . С . Иванов - Холодный , ² А . П . Игнатьев

NEW APPROACH TO CONSTRUCTION OF THE EARTH UPPER ATMOSPHERE MODEL WITH THE USE OF SATELLITE LOCAL DATA ON THE ATMOSPHERE

¹S.I. Boldyrev, ¹O.P. Kolomytsev, ¹G.S. Ivanov-Kholodny, ² А .P. Ignatyev

Современные модели верхней атмосферы Земли позволяют построить пространственно-временную картину изменений параметров атмосферы в планетарном масштабе, по сути, в осредненном виде. Для построения этих стандартных моделей используют совокупность данных о торможении спутников в атмосфере, зондовых измерений с борта геофизических ракет, измерений некогерентного рассеяния радиоволн в атмосфере Земли. Современный уровень космических исследований позволяет применить новый метод исследований верхней атмосферы Земли ─ исследование верхних слоев атмосферы посредством измерения поглощения солнечного XUV-излучения земной атмосферой при наблюдении диска Солнца.

Present-day models of the Earth's upper atmosphere allow to build a spatio-temporal picture of variations in atmosphere parameters on a planetary scale, per se, in an averaged view. To build-up these standard models one uses data set on satellite braking in the atmosphere, probe measurings aboard geophysical rockets, measurings of non-coherent radio scattering in the Earth's atmosphere. The current level of space research allows to apply a new method to study the Earth's upper atmosphere: to research the upper atmosphere by measuring the absorption of solar XUV-radiation by the Earth's atmosphere when observing the solar disk.

Посредством сканирования верхних слоев атмосферы Земли (на высотах 100÷500 км) солнечным лучом при пролете ИСЗ по орбите за горизонт и из-за горизонта Земли измеряется поглощение солнечного излучения атмосферой (оккультационная мода наблюдений) и определяются высотные зависимости коэффициентов поглощения (рис. 1).

На ИСЗ «Коронас-Ф», который был запущен 31 июля 2001 г. на круговую полярную орбиту, с помощью телескопов комплекса «Спирит» в спектральных линиях 171, 195, 284 и 304 Å (телескоп Ричи–Кретьена (SRT-K)), 175 и 304 Å (телескоп Гершеля (SRT-K)) и 8.42 Å (спектрогелиограф РЕС-К) были проведены измерения поглощения XUV-излучения Солнца атмосферой Земли [1]. Использовались XUV-изображения Солнца (рис. 2).

Измерялось изменение по высоте атмосферы поглощения солнечного излучения (локальные вариации). Относительная точность измерений поглощения ~10 % на волне 8.42 Å и ~2 % на волнах 175 и 304 Å.

В основу метода положено вычисление параметров атмосферы по данным локального поглощения XUV-излучения и их сравнение с данными современной модели атмосферы, построенной для усредненных абсолютных значений концентраций и пространственного распределения основных нейтральных компонент верхней атмосферы ([O] и [N2]).

Минимальная толщина слоя атмосферы, по которому усредняются значения параметров, определяется размерами конуса прошедших через атмосферу солнечных лучей. Размеры «лучевого» конуса зависят от высоты исследуемого слоя. Чем глубже слой, тем больше длина и сечение конуса. При видимом угловом размере Солнца, равном 32′, диаметр сечения, перпендикулярного лучу, изменяется от 6 км (3.5 ÷ 9 км) и до 20 км (15 ÷ 24 км) на высотах 500 км и 200 км соответственно (для высоты орбиты ИСЗ h _исз =535 км). Высота исследуемого слоя определяется взаимным расположением Солнца и ИСЗ над

Рис . 1. Сканирование верхних слоев атмосферы Земли солнечным лучом при пролете космического аппарата (КА) по орбите ИСЗ.

Рис . 2. Изображения Солнца, построенные с помощью телескопов «Спирит» ИСЗ «Коронас-Ф» в спектральных линиях 175 и 304 Å.

поверхностью Земли. В силу сферичности атмосферных слоев, «лучевой» конус пересекает, кроме исследуемого слоя, несколько вышележащих слоев с разными параметрами. Эффективная длина «лучевого» конуса (Lэфф), определяемая как часть конуса, в которую попал исследуемый слой, также меняется с высотой от 500 до 1000 км на высотах 500 и 200 км соответственно. Вклад остальных атмосферных слоев в поглощение излучения Солнца в «лучевом» конусе составляет от 1 до ~ 10 % для высот 500 и 200 км соответственно.

Для модельных расчетов атмосферы использовалась разработанная в ИЗМИРАН рабочая модель атмосферы 2001 г. (WMA01) с коэффициентами полу-эмпирической модели атмосферы MSIS [2, 3], нормированными на имевшиеся данные масс-спектрометрических измерений на ракетах и спутниках, а также на данные длительных измерений торможения ИСЗ. Недостатком такой нормировки является использование средних данных, полученных по значительной части орбиты, а не локальных измерений, что приводит к определенным неточностям в модельном описании состояния верхней атмосферы. Поэтому важно разработать способ экспериментальной проверки точности модельных параметров.

Для расчета поглощения атмосферой коротковолнового излучения Солнца использовалось соотношение [4]:

I = I oexp { - (( o (O) H (O)[O] +

+о (^) H (N2)[N2])) ChZ ₀ } ,               (1)

где     10, эрг-см -2- с -1, - интенсивность излучения вне атмосферы;

I , эрг - см”² - с^-1, - то же на заданной высоте h , км;

о (О), см², - сечение поглощения атомного кислорода;

H (O), км, – высота однородной атмосферы для атомного кислорода;

[O], см–3, – концентрация атомного кислорода;

о (N2) - сечение поглощения молекулярного азота;

H (N2), км, – высота однородной атмосферы для молекулярного азота;

[N2], см–3, – концентрация молекулярного азота;

Ch Z _@ - функция Чепмена от зенитного угла Солнца Z _@ .

Соотношение (1) характеризует поглощение солнечного излучения при его прохождении в атмосфере на определенной высоте. Используя (1) для двух длин волн λ1 и λ2, решая относительно кислорода О и азота N2 полученную систему из двух уравнений и исходя из одновременности измерений I/I 0 для этих длин волн, мы можем получить величины эффекта поглощения отдельно для кислорода и азота, основных составляющих верхней атмосферы.

Ниже для предварительных оценок для тех высот в атмосфере, где преобладает атомный кислород (примерно выше 300 ÷ 350 км), мы используем (1), учитывая поглощение только кислородом и только на длине волны λ = 304 Å. Тогда после несложных преобразований уравнение (1) для [O] будет иметь вид:

[ О ] =

lg I I 0

о ( O ) H ( O ) lg eChZ ₀ ’

kT            ( R )

здесь H ( O ) =             , g = g          ,

V ’ М(O)МHg      0 (R + hJ где k = 1.38·10–16 эрг/град, – постоянная Больцмана;

о (O) = 9.8dQ^-18 см²- сечение поглощения на

304 Å;

М(O), 16 – молекулярная масса атомного ки- слорода;

М(H) = 1.67·10–24, – молекулярная масса атомно- го водорода;

g, см·с^–2 – ускорение силы тяжести на высоте h .

Функция Чепмена C hZ _@ берется для Z _@ > 70°.

Результаты модельных расчетов концентрации атомного кислорода и их сравнение с предварительными результатами измерений поглощения излучения Солнца с борта ИСЗ в диапазоне 304 Å показаны на рис. 3, 4 и 5.

Видно, что в спокойном геомагнитном поле, Ар ≈ 5, модельные значения концентрации [O] находятся в хорошем согласии с данными эксперимента, отклонения не более ~ 5 %. Однако в возмущенных условиях, Ар ≈ 70, экспериментальные данные об [O] выше модельных на ~50 %. Проведенные расчеты основаны на предположении, что в поглощение излучения Солнца на волне 304 Å на высотах 300 ÷ 400 км основной вклад дает [O].

Рис . 5. Сравнение суммарной концентрации атомного кислорода [О] и молекулярного азота (lgN∑) = (lg[O]+[N₂]) в верхней атмосфере Земли по измерениям с борта ИСЗ и модельным расчетам в возмущенный день.

Действительно , в обычных условиях атомарныйкис-лород является доминирующей компонентой атмосферы

Высота, ш

Рис . 3. Cравнение концентрации атомного кислорода (lg[O]) в верхней атмосфере Земли по измерениям с борта ИСЗ и модельным расчетам в спокойный день 26.11.2001: ♦ - модель WMA01; ■ - модель MSIS; ▲- измерения.

Рис . 4. Cравнение концентрации атомного кислорода (lg[O]) в верхней атмосфере Земли по измерениям с борта ИСЗ и модельным расчетам в возмущенный день 21.10.2001. ♦ - модель WMA01; ■ - модель MSIS; ▲ - измерения.

Таблица

Результаты по фрагментам наблюдений А, Б, В, Г

Фрагмент Высота h, км Концентрация [O], см–3 Зенитный угол Солнца Z@, угл. град. Температура нейтральной атмосферы Т, K, в начале в конце А 320 1.49-108-1.13-108 90.2^91.2 909 813 Б 267 8.55-108-1.84-108 90.2^94.9 750 725 В 339 4.53-108-3.04-108 89.5^91.0 782 726 Г 342 3.25-108-1.54-108 93.5^95.0 782 702 на этих высотах. В возмущенных условиях резко возрастает концентрация [N2].

Как показывают оценки, в возмущенных условиях соотношение становится [O]/[N2] ≈ 1.0.

Эксперименты на ИСЗ априори обладают специфической особенностью – наблюдатель и наблюдаемый объект находятся в постоянном относительном движении. При обработке наблюдательного материала это может служить источником ошибок в расчетах. Для демонстрации использованы четыре фрагмента из четырех сеансов измерений в относительно спокойных геомагнитных условиях.

В таблице приведены параметры, определенные по фрагментам наблюдений А, Б, В, Г. Показаны концентрация [O] для максимальных и минимальных Z _@ на нижних высотах профилей [O] и, соответственно, температура нейтральной атмосферы Т н (в начале и в конце) для четырех сеансов измерений. Хорошо видны изменения Z _@ и температуры, в отдельных случаях достигающие ~ 5° по зенитному углу Солнца и ~ 100 K по температуре.

Для расчета концентрации [O] использовались средние зенитные углы Солнца и средние температуры для всех четырех сеансов наблюдений. Результаты расчетов демонстрируются на рис. 6 для сеанса Б, в котором отмечалось максимальное отклонение Z@ за шесть минут съемки. По нашему мнению, средняя кривая дает наиболее правильные величины концентрации атомарного кислорода в условиях проведения сеанса Б.

Полученные предварительные результаты позволяют заключить, что описанный выше метод сравнения модельных и спутниковых данных о верхней атмосфере можно использовать для коррекции современных моделей верхней атмосферы Земли.

Кроме того, расхождение профилей указывает, что обычное предположение о неизменности параметров атмосферы на уровне нижней границы верхней атмосферы (~120 км) приводит к неточностям в моделях. Приведенные на рис. 7, а , б и 8 а , б результаты расчетов параметров атмосферы для

Рис . 6. Изменение концентрации атомарного [О] при разных зенитных углах Солнца: кривая 1 (■) — максимальный зенитный угол; кривая 3 (▲) — минимальный зенитный угол; кривая 2 ( ♦ ) — средний зенитный угол.

Рис . 7. Распределения (lg ρ) плотности верхней атмосферы Земли на уровне 120 км при различных гелиогео-физических условиях (в полярных координатах): а – возмущенное Солнце ( F _10.7=100) и невозмущенное геополе ( А _Р=0); б – возмущенное Солнце и возмущенное геополе ( А Р=100).

0/N2          12" 0" UT 28.10.2003 F„.r - 100   0,-0 h- 120 km

Рис . 8. Распределение [O]/[N₂] в верхней атмосфере Земли на уровне 120 км при различных гелиогеофизиче-ских условиях (в полярных координатах): а – для тех же условий, что и на рис. 7, а ; б –для тех же условий, что и на рис. 7, б .

уровня 120 км по модели MSIS свидетельствуют о необходимости уточнения начальных условий моделей верхней атмосферы Земли.

В настоящее время ведется обработка полного объема наблюдательных данных о поглощении XUV-излучения Солнца, полученных на ИСЗ «Ко-ронас-Ф». Планируется продолжить эти исследования в 2008–2012 гг. на готовом к запуску ИСЗ «Ко-ронас-Фотон».

Метод применим для мониторинга локальных возмущений верхней атмосферы, обусловленных воздействием на атмосферу естественных (гелиогеофизиче-ские процессы) и искусственных (запуски тяжелых ракет-носителей, взрывы в атмосфере и т.п.) факторов.