Особенности многолетних вариаций излучения верхней атмосферы земли в связи с колебаниями климатической системы атмосфера-океан

Собственное излучение верхних слоев среднеширотной атмосферы Земли, которое наблюдается на высотах от 80 км вплоть до геокороны, представлено эмиссионными полосами, линиями и континуумом молекул и атомов атмосферных составляющих, таких как ОН, О2, О, Na, N, H и др. При анализе многолетних вариаций излучения верхней атмосферы Земли наиболее сильные межгодовые вариации связывают с солнечной активностью [Фишкова, 1983]. Эмиссия атомарного кислорода OI 557.7 нм (высоты высвечивания ~85–115 км) относится к наиболее ярким дискретным линиям видимого диапазона спектра в излучении верхней атмосферы и формирует один из нижележащих эмиссионных слоев излучения атмосферы, который захватывает мезосферу и нижнюю термосферу. Возможность влияния динамики нижележащей атмосферы, включая стратосферу и тропосферу, на вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм (I557.7) неоднократно отмечалась в ряде работ (см., например, [Fukuyama, 1977]). Упоминания о явлении Эль-Ниньо–Южное Колебание (ЭНЮК) в связи с особенностями межгодовых вариаций излучения среднеширотной верхней атмосферы Земли приводятся лишь в отдельных работах. Например, в ра- боте [Scheer, Reisin, 2000] отмечаются аномально низкие значения интенсивностей атмосферных полос молекул гидроксила OH (6–2) и кислорода O2 (0–1) в период наблюдений 1997–1998 гг. для Южного полушария. В работе [Mikhalev et al., 2008] указывается на нарушение прямой зависимости I557.7 от уровня солнечной активности в 1998–2000 гг. для Северного полушария. Отмеченные особенности вариаций излучения верхней атмосферы совпали с одним из самых сильных проявлений ЭНЮК в 1997–1998 гг. за весь период наблюдения этого явления.

В настоящей работе проведен анализ многолет них вариаций излучения верхней атмосферы Земли в эмиссии 557.7 нм и явления ЭНЮК на более длинных интервалах наблюдений по данным среднеширотных станций .

Данные наблюдений

Для анализа были использованы :

– опубликованные в литературе данные много летних наблюдений эмиссии 557.7 нм на среднеши ротных станциях Северного полушария в 18–22- х сол нечных циклах [ Гивишвили и др ., 1996] и на средне широтной станции Южного полушария в 23- м цикле [Reid et al., 2008];

– данные наблюдений эмиссии 557.7 нм , полу ченные в Геофизической обсерватории Института солнечно - земной физики СО РАН ( ГО ИСЗФ СО РАН 52° N, 103° E) в 1997–2010 гг . (23- й солнеч ный цикл );

– индексы ONI (Changes to the Oceanic Niño Index, для явления ЭНЮК;

Результаты и обсуждение

В литературе можно найти относительно не большое количество публикаций , в которых приво дятся данные многолетних регулярных наблюдений I 557.7 , ведущихся с 20–30- х гг . прошлого столетия . Например , в работе [Hernandez, Silverman, 1964] приводятся данные о I 557.7 по измерениям на различ ных среднеширотных станциях Северного и Южно го полушарий для 1924–1933 и 1948–1962 гг . К это му же периоду (1940–1943 и 1957–1959 гг .) относят ся данные наблюдений в обсерватории Верхний Прованс [Christophe-Glaume, 1965]. В работе [Fukuyama, 1977] также приводятся данные наблюдений эмиссии 557.7 нм на нескольких среднеширотных станциях за 1958–1969 гг . Вероятно , в настоящее время можно считать , что наиболее длительные не прерывные наблюдения эмиссии 557.7 нм были про ведены в обсерватории Абастумани АН Грузии в 1957–1992 гг . [ Фишкова и др ., 2000]. Эпизодические наблюдения эмиссии 557.7 нм проводились и в дру гие годы , включая последние десятилетия ( см ., на пример , [Buriti et al., 2004]).

В настоящей работе был использован один из самых длинных опубликованных рядов наблюдений эмиссии 557.7, представленный в работе [ Гивишвили и др ., 1996], охватывающий период с 1948 по 1992 г . Этот ряд является комбинацией данных трех обсер ваторий : Кактус Пик (36.1° N, 117.8° W) за 1948– 1952 гг ., Верхний Прованс (43.9° N, 5.7° E) c 1954 по 1957 г . и Абастумани (41.8° N, 42.8° E) c 1958 по 1992 г . К указанному ряду были добавлены данные наблюдений в ГО ИСЗФ СО РАН за 1997–2006 гг . В результате был получен ряд многолетних ва риаций I 557.7 на среднеширотных станциях Северного полушария , охватывающий период более пяти солнечных циклов .

На рис . 1 приведены многолетние вариации среднегодовых значений интенсивностей эмиссии 557.7 нм , потока радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см ( индекс F 10.7) и индекса ONI с 1948 по 2006 г .

Индексы ЭНЮК достаточно часто используются при исследовании межгодовой климатической из менчивости , включая общую циркуляцию атмосферы . Первоначально термины « Эль - Ниньо » и « Ла - Нинья » относились к аномалиям температуры по верхности в экваториальном районе Тихого океана , однако в настоящее время в исследованиях ЭНЮК под Эль - Ниньо и Ла - Нинья понимают еще и соот ветствующие аномалии циркуляции атмосферы , давления и осадков в данном регионе , т . е . климати -

Рис . 1. Многолетние вариации среднегодовых значе ний интенсивностей эмиссии 557.7 нм , потока радиоизлу чения Солнца на длине волны 10.7 см ( индекс F 10.7) и индекса ONI.

ческие аномалии в системе океан–атмосфера []. В частности, индекс ONI (Nino 3.4) представляет собой аномалии температуры поверхности океана (в °С) в симметричной относительно экватора области в центре Тихого океана (5° N– 5° S и 120–170° W). Анализ рис. 1 позволяет выделить некоторую особенность. Когда индекс ONI продолжительное время имеет экстремально низкие значения (холодная фаза явления – Ла-Нинья), отмечается депрессия I557.7. В случаях, когда эти эпизоды приходятся на годы, близкие к минимуму солнечной активности (1954–1956 и 1973–1975 гг.), отмечались аномально низкие среднегодовые значения I557.7. В максимуме 23-го цикла солнечной активности в 2000–2002 гг. при низких значениях индекса ONI также отмечалась депрессия I557.7 в 1999–2001 гг., приводящая к нарушению прямой зависимости I557.7 от уровня солнечной активности.

Интересным представляется сопоставление дан ных одновременных наблюдений на среднеширот ных станциях Северного и Южного полушарий . На рис . 2 для 23- го солнечного цикла представле ны среднегодовые значения I 557.7 по данным ГО ИСЗФ СО РАН и отклонения минимальных значе ния I 557.7 в годовом ходе эмиссии 557.7 нм от среднего за 1995–2005 гг . по данным работы [Reid et al., 2008] для станции Аделаида ( Австралия , 35° S, 135° E).

Аналогичный характер межгодовых вариаций отклонений I 557.7 по данным работы [Reid et al., 2008] наблюдается , если использовать среднегодовые зна чения отклонения I _557.7 от среднего за 1995–2005 гг . Для обеих станций можно отметить депрессию I _557.7 в 1999–2001 гг ., что по времени соответствует хо лодной фазе явления ЭНЮК . Для оценки относи тельного вклада возможного одновременного влия ния солнечной активности и циркуляции атмосферы на вариации I 557.7 вычислялись соответствующие коэффициенты корреляций . На рис . 3 с использова -

Рис . 2. Вариации межгодовых значений I _557.7 по дан ным ГО ИСЗФ СО РАН ( сплошная линия , темные круж ки ) и отклонения минимальных значения I _557.7 от среднего в годовом ходе эмиссии 557.7 нм за 1995–2005 гг . по дан ным работы [Reid et al., 2008] ( штриховая линия , светлые кружки ) в 23- м солнечном цикле .

Год

Рис . 3. Коэффициенты корреляции между значениями I _557.7 и индекса F 10.7 ( темные кружки , сплошные линии ) и между значениями I _557.7 и индекса ONI ( светлые кружки , штриховые линии ).

нием данных наблюдений I 557.7 (1950–1992 гг .) из работы [ Гивишвили и др ., 1996] представлены многолетние вариации коэффициентов корреляции между значениями I _557.7 и индекса F 10.7 ( темные кружки , сплошные линии ) и между значениями I _557.7 и индекса ONI ( светлые кружки , штриховые линии ). Год по оси абсцисс указывает на центр 11 летнего временного интервала , используемого для вычисления корреляции . Например , точка с годом 1970 означает , что вычислялись коэффициенты корреляции между анализируемыми величинами за период 1965–1975 гг ., 1971 г . соответствует интер валу 1966–1976 гг . и т . д . На рис . 3 справа для сравнения приведены также значения коэффициен тов корреляции в 1997–2006 гг . (2001) по данным ГО ИСЗФ СО РАН .

Можно отметить , что коэффициенты корреляции между анализируемыми величинами за рассматривае мый период , изменяясь в достаточно больших пределах , в отдельные интервалы наблюдения имеют сопостави мые значения .

Вариации эмиссии 557.7 нм под действием сол нечной активности

Первые исследования межгодовых и многолет них вариаций среднеширотных атмосферных эмис сий верхней атмосферы , показавшие их зависимость от солнечной активности , относятся к 20–30- м гг . ХХ в . [Rayleigh, 1935]. К настоящему времени мож но считать установленным фактом , что многолетние вариации атмосферной эмиссии в линии атомарного кислорода 557.7 нм ( высоты высвечивания 85–115 км ) зависят от уровня солнечной активности , имея в об щем случае прямую положительную зависимость от солнечной активности [ Шефов и др ., 2006]. При этом следует отметить , что детальный анализ дан ных многолетних наблюдений ( см ., например , [ Ги - вишвили и др ., 1996]) позволяет предположить , что в отдельные годы нарушается прямая зависимость интенсивности атмосферной эмиссии 557.7 нм от солнечной активности . В работе [ Михалев , Медве дева , 2009] было получено , что существуют солнеч ные циклы , в пределах которых синфазность вариа ций эмиссии 557.7 нм с 11- летним периодом сол нечной активности нарушается и в межгодовых ва риациях эмиссии 557.7 нм появляются более корот кие периоды ( ≤ 4–6 лет ). При этом нарушение синфаз - ности вариаций эмиссии 557.7 нм с 11- летним перио дом солнечной активности в 20- м и 23- м солнечных циклах приходилось на определенные фазы явле ния ЭНЮК . Авторами [ Михалев , Медведева , 2009] было высказано предположение , что многолетние вариации эмиссии 557.7 нм , как и нарушение син - фазности межгодовых вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм с уровнем солнечной активности в отдельные солнечные циклы , могут быть следстви ем совместного влияния эффектов солнечной актив ности ( с периодами ∼ 11 лет ) и динамики нижележа щей атмосферы ( с периодами ∼ 2–7 лет и , возможно , ∼ 20–30 лет ), обладающих различными собственны ми частотами .

Возможные механизмы проявления ЭНЮК в ва риациях эмиссии 557.7 нм

Следует отметить, что глобальное распределение интенсивности эмиссии 557.7 нм имеет выраженные широтно-долготные структуры и зависимости. В широтной зависимости отмечаются существование максимума на широте ~30° N, минимумов на широте ~50° N и на экваторе и рост интенсивности эмиссии к полюсу [Шефов и др., 2006]. Вероятно, широтная зависимость определяется существованием высотно-широтных особенностей структуры температуры, циркуляции атмосферы (например, наличием циркуляционных ячеек [Liu, Roble, 2002]) и других параметров верхней атмосферы. Долготная зависимость интенсивности эмиссии 557.7 нм обнаружена относительно недавно и связывается с существованием квазистационарных планетарных волн [Wang et al., 2002], проникновение которых в верхнюю атмосферу зависит от условий циркуляции атмосферы. Согласно [Шефов и др., 2006] отношение интенсивностей эмиссии 557.7 нм в максимуме и минимуме широтного распределения может достигать ~1.5. Изменение интенсивности эмиссии 557.7 нм в долготном распределении может достигать ~2 [Wang et al., 2002].

Можно было бы предположить , что изменение локализации широтно - долготных структур в эмис сии 557.7 нм в периоды отдельных фаз ЭНЮК мо жет приводить к изменениям I 557.7 в конкретных ши ротно - долготных зонах . Но в таком случае это должно было бы вызывать как увеличение , так и уменьшение I 557.7 на станциях , расположенных в различных широтно - долготных зонах , чего не на блюдается . Поэтому более предпочтительными представляются механизмы , связанные с изменения ми параметров верхней атмосферы на высотах вы свечивания эмиссии 557.7 нм ( атмосферной плотно сти , ветров , температур , нисходящих и восходящих потоков и др .) в результате изменений общей цир куляции атмосферы , включая глобальную циркуля цию на высотах тропосферы , стратосферы и мезо сферы , или условий возникновения и распростране ния внутренних гравитационных и планетарных волн в верхнюю атмосферу в результате изменений циркуляционного режима в тропосфере и страто сфере . В связи с последним интересными являются результаты работы [ Шефов , 1985], в которой при менительно к эмиссиям верхней атмосферы прове дена сравнительная оценка средней планетарной энергии Солнца , поглощенной на высоте ~ 100 км , и энергии орографических возмущений , генерируе мых в тропосфере в виде внутренних гравитацион ных волн и распространяющихся в верхнюю атмо сферу . По результатам работы [ Шефов , 1985] эти величины оказывается сопоставимы , таким образом , роль циркуляции нижней атмосферы может быть сопоставима с непосредственным влиянием солнеч ной активности .

В настоящее время не представляется возможным однозначно указать основные атмосферные параметры или процессы , определяющие предполагаемую связь вариаций эмиссий верхней атмосферы с явлением ЭНЮК . Полученные предварительные результаты требуют дополнительных исследований для подтвер ждения влияния ЭНЮК на эмиссии верхней атмосфе ры , выявления механизмов влияния и их возможных особенностей в различные фазы явления ЭНЮК .

Полученные в настоящей работе результаты , веро ятно , следует учитывать при анализе условий оптиче ских проявлений в излучении верхней атмосферы Зем ли таких геофизических явлений , как стратосферные потепления , геомагнитные бури , сейсмическая ак тивность [ Михалев , 2001, 2010; Mikhalev et al., 2001] и т . д .

Заключение

В результате совместного анализа многолетних данных по вариациям излучения верхней атмосферы Земли в линии атомарного кислорода 557.7 нм и колебаний системы атмосфера–океан выявлено, что в периоды экстремально холодных фаз явления ЭНЮК (по индексу ONI) отмечается депрессия интенсивности эмиссии 557.7 нм. В случаях, когда эти эпизоды приходились на годы, близкие к минимуму солнечной активности (1954–1956 и 1973–1975 гг.), отмечались аномально низкие среднегодовые значе- ния интенсивности эмиссии 557.7 нм. В максимуме солнечной активности в 2000–2002 гг. при низких значений индекса ONI также отмечалась депрессия интенсивности эмиссии 557.7 нм, приводящая к нарушению прямой зависимости интенсивности эмиссии 557.7 нм от уровня солнечной активности. Полученные коэффициенты корреляции между среднегодовыми значениями интенсивности эмиссии 557.7 нм и соответственно солнечной активностью (по индексу F10.7) и явлением ЭНЮК (по индексу ONI) в отдельные периоды наблюдений имеют сопоставимые значения. Полученные результаты позволяют сделать предварительный вывод, что многолетние и межгодовые вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм могут являться следствием совместного влияния солнечной активности и колебаний климатической системы атмосфера–океан.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 12-05-00024- а и проекта « АТМОС » Соглашения между Российской и Болгарской академиями наук в облас ти фундаментальных космических исследований .