Сравнение сезонных вариаций активности приливных и внутренних гравитационных волн по наблюдениям на станциях Маймага и Тикси

В последнее время мезопауза, являясь пограничной областью (80–100 км) между мезосферой и термосферой, где находится температурный минимум атмосферы, вызывает все больший интерес к ее исследованию. Это связано с тем, что область мезопаузы активно взаимодействует с солнечным радиационным излучением, приходящим сверху, и с широ- ким спектром волн, распространяющихся вверх из нижних слоев атмосферы [Брасье, Соломон, 1987].

Волновая активность вносит существенный вклад в температурный режим мезопаузы. Приливы обусловливают адиабатическое сжатие и расширение области мезопаузы, соответственно вызывая разогрев или охлаждение окружающей среды [Чепмен, Линдзен, 1972; Брасье, Соломон, 1987] . ВГВ, распространяясь вверх из нижних слоев атмосферы, осуществляют перенос импульса и энергии в мезосферу и термосферу. На высоте мезопаузы из-за ветрового сдвига ВГВ подвергаются спектральной фильтрации и поглощаются, вызывая разогрев в данной области [Hines, 1974] . Амплитуды ВГВ и приливных волн возрастает с высотой из-за уменьшения плотности атмосферы, благодаря чему появляется возможность их обнаружения в верхних слоях атмосферы.

На высотах мезосферы и нижней термосферы волновую активность исследуют как методом спутниковых измерений, так и с помощью наземных наблюдений. Наиболее распространенными и доступными среди наземных методов являются спектральные наблюдения эмиссий гидроксила OH (3, 1), которые возбуждаются в области мезопаузы. По многочисленным ракетным измерениям известно, что эмиссионный слой находится на высоте ~87 км и имеет полушириу ~9 км [Baker, Stair, 1988] . Однако высота излучающего слоя в зависимости от сезона и прохождения волн через него может меняться [Takano et al., 1990; Yee et al., 1997; Zhang, Shepherd, 1999] . Вращательная температура, определяемая по распределению интенсивности в полосе гидроксила (ОН), является близкой к кинетической температуре нейтрального газа на высоте излучения [Шефов и др., 2006; Noll et al., 2015] . В настоящее время этот метод широко применяется в наблюдениях международной сети станций мониторинга состояния мезопаузы NDMC (Network for the Detection of Mesopause Change).

Большое количество исследований волновой активности на высоте мезопаузы по наблюдениям излучения гидроксила проводилось на средних широтах [Offermann et al., 2011; Перминов и др., 2013; Perminov et al., 2014] . В то же время имеется недостаток подобных исследований на высоких широтах. Поэтому большой интерес представляют поведение температуры и волновая активность высокоширотной мезопаузы. В данной работе представлены исследования температуры и ее стандартных отклонений σ от средненочных значений в области мезопаузы по измерениям на высокоширотных станциях Маймага (63.04° N, 129.51° E) и Тикси (71.58° N, 128.77° E).

ПРИБОРЫ И МЕТОД ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Для регистрации полосы гидроксила OH (3, 1) использовался светочувствительный инфракрасный спектрограф Shamrock SR-303i с рабочим диапазоном длин волн 1490–1544 нм (производство фирмы

Andor Technology Ltd), оснащенный высокочувствительным инфракрасным iDus InGaAs фотодиодным детектором DU490A-1.7. Спектрограф построен по принципу Черни — Тернера (Czerny — Turner), его фокусное расстояние равно 303 мм, разрешение при рабочей ширине входной щели 0.2 мм равно 0.8 нм, угол зрения ~14°. Спектрограф Shamrock SR-303i является специализированной и надежной платформой, предназначенной для регистрации слабых световых сигналов в ближней инфракрасной области.

Два идентичных спектрографа такого типа установлены на ст. Маймага (150 км севернее Якутска) и Тикси. На ст. Маймага прибор на постоянную регистрацию был установлен 17 января 2013 г., а на высокоширотной ст. Тикси — 3 сентября 2015 г. Для взаимной калибровки этих приборов были проведены одновременные наблюдения на ст. Маймага с 5 по 15 августа 2015 г. Разработанное нами программное обеспечение позволяет приборам работать полностью в автономном режиме.

Спектрографы регистрируют полосу излучения гидроксила OH (3, 1) в ближней инфракрасной области (около 1.5 мкм) при угле погружения Солнца >9°. Регистрация этой полосы выгодна тем, что в данной области спектра эмиссия полярных сияний много меньше, а вклад паразитного света от Луны и звезд существенно уменьшается пропорционально 1/λ⁴ [Шефов и др., 2006] . В данной области также наблюдается наибольшая интенсивность эмиссии гидроксила. Рабочая температура охлаждения камеры спектрографов выставлена на –50 °С для устранения температурного дрейфа темнового тока и его уменьшения. В данных условиях спектрографы дают возможность измерять температуру мезопаузы с точностью ~2 K (ошибка рассчитывалась для каждого измерения отдельно).

Время экспозиции для получения одного измерения спектра гидроксила в полосе OH (3, 1) равно 60 с. Короткая экспозиция не только значительно расширяет диапазон периодов исследуемых ВГВ, но и включает в рассматриваемый спектр акустические волны (периоды 3–5 мин). Для исключения акустических волн из рассмотрения проведено усреднение данных с шагом 3 мин.

Метод оценки вращательной температуры молекулярных эмиссий основан на подгонке модельных спектров, построенных с учетом аппаратной функции прибора для различных, заранее заданных температур, к реально измеренному спектру [Ammosov, Gavrilyeva, 2000; Gavrilyeva, Ammosov, 2002]. Полоса ОН (3, 1) достаточно хорошо термализируется, а определяемая по ней вращательная температура является близкой к кинетической температуре окружающей нейтральной атмосферы на высоте ее излучения. При оценке вращательной температуры по полосе гидроксила были использованы вероятности перехода, рассчитанные Mies [1974]. Существующие современные данные о вероятностях [van der Loo, Groenenboom, 2007; Goldman et al., 1998] позволяют более точно определять абсолютную температуру. В настоящей же работе важны относительные вариации температуры, а не ее абсолютные зна- чения. С учетом этого для единообразия полученных результатов и возможности сравнения с другими работами по определению волновой активности (например, Offermann et al., 2011) были применены вероятности перехода [Mies, 1974]. Кроме того, коэффициенты Эйнштейна для низколежащих переходов ОН (3, 1) в различных данных о вероятностях слабо отличаются [Offermann et al., 2010].

В целях исключения данных с высоким уровнем шумовых помех производилась выборка спектров, удовлетворяющих соотношению сигнал/шум >20, затем проводилось усреднение температуры с шагом 3 мин. В качестве характеристики ночной волновой активности принято стандартное отклонение σ температуры T_i от ее средненочного значения T :

- = n^ ZL( t - T ) .

где n — число измеренных значений в течение ночи.

Это стандартное отклонение является суперпозицией различных волн, активных в ночное время суток, и шума темнового тока детектора. Согласно работе Offermann et al. [2009] , суперпозиция волн может быть представлена в виде

22 2 td gw noise , где σtd, σgw, σnoise — стандартные отклонения температуры, обусловленные приливными волнами, ВГВ и шумом темнового тока детектора соответственно; σnoise была рассчитана как средняя арифметическая ошибок каждого отдельного измерения за ночь. Из рассмотрения исключались планетарные волны, так как их временной масштаб много больше, чем одна ночь.

Величина σtd определялась посредством выделения из ночного температурного ряда методом наименьших квадратов гармоник, соответствующих 24-, 12- и 8-часовой компонентам суточного прилива.

f td = T + A cos

+

+ A 2 cos

где f td — сумма гармоник суточного прилива (периоды указаны в минутах); А ₁, А ₂, А ₃ — амплитуды гармоник суточного прилива; φ 1 , φ 2 , φ 3 — фазовые сдвиги гармоник; t — время в минутах.

Результат вычитания из ночного температурного ряда суммы гармоник суточного прилива соответ- ствует вкладу в температуру шума темнового тока и распространения ВГВ. Отсюда, зная значение σnoise, можно вычислить стандартное отклонение σgw.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Одновременные наблюдения с помощью спектрографов Shamrock на ст. Тикси и Маймага велись два полных сезона с 2015 по 2017 г. На рис. 1 показаны средненочные вращательные температуры гидроксила по наблюдениям на этих станциях. Значения средненочных температур полученные в течение имеющихся двух сезонов 2015–2017 гг. одновременных наблюдений совпадают с большой точностью.

Приливные составляющие стандартных отклонений температуры показаны на рис. 2. Черная и красная линии являются скользящим средним с окном усреднения 30 дней и представляют собой сезонный ход приливной компоненты σ_td для ст. Маймага и Тикси соответственно. Значения и сезонный ход приливной компоненты примерно совпадают для обеих станций. Сезонный ход приливной компоненты стандартных отклонений температуры σ td варьирует от 2.5 до 5 K на протяжении всех сезонов наблюдений.

Стандартные отклонения температуры, соответствующие ВГВ, показаны на рис. 3, где линиями обозначены скользящие средние с окном усреднения 30 дней, представляющие сезонный ход гравитационной компоненты σ gw . Значения σ gw примерно совпадают в течение имеющихся двух сезонов 2015– 2017 гг. наблюдений на ст. Тикси и Маймага. Сезонное изменение ВГВ-составляющей варьирует от 2 до 6.5 K. При сравнении рис. 1 и 3 виден сезонный ход ВГВ-компоненты стандартных температурных отклонений (рис. 3), визуально соответствующий сезонному ходу средненочной температуры (рис. 1). Для дальнейшего анализа рассматриваются относительные значения стандартных отклонений, т. е. значения отношений гравитационной и приливной составляющих к средненочной температуре ( σ _gw / T и σ_td / T ). Это позволяет правильнее сравнивать значения стандартных отклонений, когда изменения температуры значительны в течение года. Относительные значения стандартных температурных отклонений показаны на рис. 4 и 5, где также наблюдаются близкие значения приливных и ВГВ-компонент стандартных отклонений температуры, полученных на ст. Май-мага и Тикси в течение двух сезонов одновременных наблюдений.

В среднеширотной области наблюдения эмиссии гидроксила проводились на ст. Вупперталь (51° N, 7° E), Звенигород (55.7° N, 36.8° E) и Торы (52° N, 103° E). При сравнении средних стандартных отклонений температуры (σ N ), полученных в Вуппертале ([Offermann et al., 2011] , рис. 10), c данными ( a_td / T ) .полученными на ст. Торы ([Perminov et al., 2014] , рис. 5, a ), заметно подобие сезонных вариаций (формы) в летние и осенние месяцы. В особенности совпадает пик стандартных отклонений температуры в сентябре (240–270 дни года).

Более плавным сезонным ходом характеризуются относительные стандартные отклонения температуры σ _gw / T , полученные в Звенигороде ([Perminov et al., 2014] , рис. 5, с ) и на ст. Маймага и Тикси (рис. 5). Значения σ _gw / T в Якутии примерно в два раза выше, чем в Звенигороде и, за исключением пика в сентябре, на ст. Торы. Это может быть связано с тем, что экспозиции, используемые для регистрации OH-спектров в Звенигороде и на ст. Торы, являются продолжительными (10 мин) и, следовательно, регистрируются только волны с периодами более 30 мин. В настоящей работе анализируются температурные данные с

Маймага

Тикси

Рис. 1. Cредненочные вращательные температуры гидроксила по наблюдениям на ст. Маймага и Тикси в течение 2015–2017 гг.

Рис. 2. Сезонные вариации приливной компоненты стандартных отклонений температуры, являющиеся скользящим средним с окном усреднения 30 дней. Измерения на ст. Маймага и Тикси показаны красным и черным цветом соответственно.

Рис. 3. Сезонные вариации ВГВ-компоненты стандартных отклонений температуры, являющиеся скользящим средним с окном усреднения 30 дней. Измерения на ст. Маймага и Тикси показаны красным и черным цветом соответственно

----Маймага----Тикси

Рис. 4. Относительные стандартные температурные отклонения, вызванные приливами. Измерения на ст. Маймага и Тикси показаны красным и черным цветом соответственно

Рис. 5. Относительные стандартные температурные отклонения, вызванные ВГВ. Измерения на ст. Маймага и Тикси показаны красным и черным цветом соответственно

3-минутным усреднением, что позволяет регистрировать спектр волн с периодами 6 мин и более в ночное время. Относительные приливные компоненты стандартных отклонений температуры σ_td / T , полученные в Звенигороде, на ст. Торы, Маймага и Тикси, очень близки по значению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы стандартные отклонения σ средненочных температур в области мезопаузы (87 км) по измерениям на ст. Маймага и Тикси. Регистрация спектров на обеих станциях осуществляется с помощью одинаковых светочувствительных инфракрасных спектрографов Shamroсk (производитель Andor Technology Ltd), регистрирующих полосу ОН (3, 1) в ближней инфракрасной области (~1.5 мкм). Были изучены данные за сезоны с 2015 по 2017 г., полученные со ст. Маймага и Тикси.

Выделены стандартные отклонения температуры, соответствующие внутренним гравитационным волнам (σgw) и приливным волнам (σtd). Величины средненочных температур, приливных и ВГВ-компонент практически совпадают для имеющихся двух сезонов одновременных наблюдений на ст. Тикси и Май-мага. Сезонные вариации стандартных отклонений, вызванных ВГВ и приливными волнами, полученные в Маймаге и Тикси, сравнивались с результатами, полученными в Вуппертале, Звенигороде и на ст. Торы.

Работа выполнена при поддержке грантов НОФМУ №20170220219 и РФФИ №17-05-00855 A.