Среднеширотное излучение верхней атмосферы земли при гелиогеофизических возмущениях

Собственное излучение верхней атмосферы – геофизическое явление , которое возникает на высо тах выше 70 км в результате диссоциации , иониза ции и возбуждения атмосферных составляющих под действием электромагнитной и корпускулярной ра диации Солнца . После открытия в начале 20 века собственного свечения верхней атмосферы Земли и осознания его как явления планетарного масштаба возникла проблема исследования свойств этого яв ления и его связи с характеристиками самой атмо сферы . При этом в разные периоды рассматривались разные аспекты этой проблемы и решались разные задачи : определение спектрального состава и высо ты высвечивания , выявление природы эмиссий ( что стимулировало лабораторные исследования скоростей реакций , излучательных характеристик атомов и моле кул ), исследование морфология , диагностика атмо сферных параметров и др . Все аспекты проблемы со храняют актуальность и в настоящее время . Кроме того , в связи с глобальными проблемами изменения климата , космической погоды , экологии возникли но вые задачи , относящиеся к собственному свечению атмосферы . Так , накопленный к последнему времени многолетний материал по собственному свечению атмосферы позволил исследовать и интерпретировать выявленные тенденции глобальных и долговременных изменений в атмосфере Земли [ Шефов и др ., 2006].

В ИСЗФ СО РАН оптические наблюдения собст венного излучения атмосферы были ориентированы на задачи солнечно - земной физики , связанные с ис следованиями гелиогеофизических возмущений различной природы в верхней атмосфере Земли .

Геомагнитные бури и солнечная активность

Геомагнитные возмущения и геомагнитные бури относятся к важнейшим геофизическим явлениям солнечного происхождения , вызывающим возмуще ния в атмосфере Земли . Особый интерес представ ляли сильные геомагнитные бури , во время которых в средних широтах регистрируются среднеширот ные сияния , статистика оптических проявлений ко торых исчисляется единицами . В ИСЗФ СО РАН , на основе данных наблюдений 1989–1993 и 1997–2009 гг . впервые для Азиатского региона были проведены исследования поведения собственного излучения в периоды геомагнитных возмущений и сильных гео магнитных бурь [ Михалев , 2001; Афраймович и др ., 2002; Михалев и др ., 2004; Михалев и др .,

2005]. В результате исследований были определены минимальные значения K _p- и D _st- индексов , начиная с которых во время геомагнитных бурь можно ожи дать возмущения в атмосферных эмиссиях на широ те Иркутска (52° N). Было выделено несколько типов среднеширотных сияний : – d- тип ( с преобладанием эмиссии 630 нм ), SAR- дуги (630 нм ) и авроральный тип (557.7 и 630 нм ). Каждый из указанных типов среднеширотных сияний характеризуется индивиду альным спектральным составом доминирующих эмис сий и величинами их интенсивностей , различием ве роятности регистрации в течение ночи и отражает текущее состояние или динамику магнитосферно ионосферных структур и их проекций на высоты верхней атмосферы . Было показано , что среднеширот ные сияния , соответствующие главной фазе магнитной бури , в рассматриваемой долготной зоне наблюдаются преимущественно во вторую половину ночи , что объяс няется существованием UT- зависимости источников среднеширотных сияний . Следствием этого может яв ляться существование долготной зависимости вероят ности появления сияний . Зарегистрированные характе ристики среднеширотного сияния 20 ноября 2003 г . ( рис . 1) во время гигантской магнитной бури позво ляют утверждать , что это сияние может быть отне сено к экстремально наблюдаемым и может допол нить список наиболее известных сияний (Great aurora).

Рис . 1. Поведение атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм во время среднеширотного сияния 20 ноября 2003 г . [ Ми халев и др ., 2004].

В связи с наблюдаемыми климатическими изме нениями был проведен анализ регулярных наблю дений среднеширотного свечения ночной атмо сферы в линиях 557.7 нм ( высоты высвечивания 85–115 км ) и 630 нм (180–350 км ), выполненных в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН в теку щем 23- м солнечном цикле [ Михалев и др ., 2008]. Результаты были сопоставлены с данными , получен ными на других среднеширотных станциях в преды дущих солнечных циклах [ Михалев , Медведева , 2009]. Было найдено , что в 23- м солнечном цикле интенсивность эмиссии I 630 изменялась в фазе с сол нечным циклом , увеличиваясь с ростом солнечной активности . Значение I 630 в максимуме солнечной активности примерно в 2 раза превысило свою ве личину в минимум e цикла ( рис . 2). В вариациях среднемесячных значений I 630 были выделены ква - зидвухлетние периоды . Корреляция I 557.7 с солнеч ной активностью ( F 10.7 ) имела количественно раз ный характер в разные фазы цикла . На фазе роста и максимума солнечной активности отмечалась отрицательная корреляция среднемесячных зна чений I 557.7 и индекса F 10.7 , которая сменилась по ложительной корреляцией на фазе спада . Нару шение корреляции среднемесячных значений I 557.7 с индексом F _10.7 на фазе роста солнечной активно сти в 23- м солнечном цикле связывается с ано мальным термодинамическим режимом средней атмосферы в 1998–2000 гг . [ Михалев и др ., 2008]. Было отмечено , что существуют солнечные цик лы , например 19- й и 21- й , в пределах которых I 557.7 меняется строго синфазно с уровнем солнечной активности ( индексом F _10.7). В других солнечных циклах (20- й , 23- й и отчасти 22- й ) синфазность вариаций I 557.7 с 11- летним периодом уровней солнеч ной активности нарушается и в межгодовых вариациях I 557.7 появляются более короткие периоды ( не более 4–6 лет ) [ Михалев , Медведева , 2009].

Внезапные зимние стратосферные потепления

Одной из причин , приводящих к существенному нарушению регулярных вариаций излучения ночной верхней атмосферы , являются внезапные зимние стратосферные потепления . Они характеризуются вне -

Рис . 2. Вариации красной эмиссии атомарного кисло рода 630 нм ( I _R) в цикле солнечной активности [ Михалев и др ., 2008].

запными мощными возмущениями зональной и ме ридиональной циркуляции в зимней стратосфере , в результате которых изменяется вертикальная цир куляция и происходит аномальный нагрев страто сферы . При сильных стратосферных потеплениях возмущения охватывают большой диапазон высот атмосферы от стратосферы до верхней мезосферы – нижней термосферы и ионосферной F- области [ Да нилов и др ., 1987].

В регионе Восточной Сибири во время страто сферных потеплений зарегистрированы аномально высокие значения интенсивности эмиссии 557.7 нм , превосходящие средние сезонные значения на 200– 450 % и более [Mikhalev et al., 2001a; Михалев и др ., 2007]. Зарегистрированные в периоды стратосферных потеплений значения I 557.7 ~2000–2200 Рл могут быть отнесены к экстремально регистрируемым интенсив ностям этой эмиссии в средних широтах . Аномально высокие значения I 557.7 ( ≥ 2000 Рл ) во время этих со бытий позволяют формально отнести их к средне широтным сияниям немагнитосферной природы . Механизм аномального увеличения I 557.7 в период действия стратосферных потеплений в настоящее время до конца не установлен . Не исключено , что аномально высокие значения I 557.7 во время страто сферных потеплений могут быть следствием высо кой средней интенсивности эмиссии в зимние меся цы в годы высокой солнечной активности . При стратосферных потеплениях на средний уровень I 557.7 накладываются межсуточные колебания ( рис . 3) ( с периодами от 4 до 8 суток ), в максимуме которых и наблюдаются аномально высокие суточные значе ния I 557.7 [ Михалев , 2010].

Сейсмическая активность

В ИСЗФ СО РАН проведен анализ параметров излучения верхней атмосферы Земли для линии атомарного кислорода 557.7 нм в периоды землетря сений в районе Байкальской сейсмической зоны [Mikhalev et al., 2001b]. Были выявлены эффекты влияния землетрясений на уровни и вариации собственного

День года (1998 г.)

Рис . 3. Вариации эмиссии 557.7 нм в период внезапно го зимнего стратосферного потепления в январе – феврале 1998 г . [Mikhalev et al., 2001].

излучения верхней атмосферы Земли , заключаю щиеся в изменении средней ночной интенсивности I 557.7 в период сейсмической активности ( увеличении I 557.7 за 1–2 сут до землетрясения и снижении ее после землетрясения , рис . 4), изменении спектра и уровня короткопериодических вариаций с периодами от еди ниц до десятков минут и , в отдельных случаях , в изме нениях ночного хода I 557.7 . Полученные для Байкаль ской сейсмической зоны результаты качественно со гласуются с экспериментальными данными , получен ными в среднеазиатской сейсмической зоне . Оценен вероятный пространственный масштаб возмущений в свечении атмосферы при землетрясениях ( не более 10³ км ). Механизм возмущений атмосферных эмиссий в периоды подготовки и развития землетрясений в настоящее время окончательно не установлен .

Полеты космических объектов

Полет в верхних слоях атмосферы искусственных и естественных космических объектов – метеоров , космических аппаратов ( КА ) и их фрагментов может сопровождаться развитием на высотах верхней ат мосферы ряда явлений : образованием ударных и акустико - гравитационных волн , нагревом и иониза цией среды , модификацией ионосферы в случае движения КА с работающим двигателями и другими эффектами , что в ряде случаев приводит к оптиче скому проявлению этих явлений в виде возмущений собственного излучения атмосферы .

В ИСЗФ СО РАН были проведены исследования возмущений излучения ночной среднеширотной атмо сферы , вызванных запусками космических аппаратов [ Михалев , Ермилов , 1997], и в период прохождения метеорного потока Леониды [Beletsky et al., 2004]. Зарегистрированы возмущения излучения эмисси онных атмосферных слоев в линиях 557.7 и 630 нм атомарного кислорода , возникающие при полете космических систем в дальней зоне от места старта (>2500 км ). Возмущения проявляются в изменении в течение десятков минут временного спектра вариа ций оптического излучения в послестартовые пе риоды регистрации . При запуске космической сис темы « Энергия » зарегистрировано кратковременное увеличение I 557.7 ( рис . 5), предшествующее появлению отмеченных выше возмущений . Оно может быть обу словлено как гидродинамическими возмущениями ( ударная волна и сопутствующие этому эффекты ), так и изменением химического состава под действи ем выбросов продуктов сгорания ( модификация ио носферы ).

В период максимальной фазы прохождения метеорного потока Леониды 18 ноября 2001 г. было зарегистрировано изменение спектра вариаций свечения атмосферы в линиях 557.7 и 630 нм по сравнению с предыдущими днями. Оно заключалось в относительном увеличении амплитуды колебаний интенсивности с периодами от 5 до 100 мин. Эти периоды и оцененные по нашим данным вертикальные фазовые скорости волновых возмущений соответствуют характеристикам внутренних гравитационных волн (ВГВ) в верхней атмосфере. Рассмотрение результатов исследования стартов КА и прохождения метеорного потока Леониды позволило утверждать, что волновые возмущения верхней атмо- сферы, обусловленные движущимися космическими объектами, в ряде случаев могут охватывать всю атмосферную толщу, от приземных слоев до ионосферных высот, в достаточно широком частотном диапазоне.

Внутренние гравитационные волны в излуче нии верхней атмосферы Земли

Волновые возмущения в верхней атмосфере , возни кающие при прохождении ВГВ , приводят к возник новению пространственных и временных вариаций в свечении ночного неба . В последние годы широкое применение получили исследования короткопериоди ческих ВГВ с помощью оптических камер всего неба . В ИСЗФ СО РАН цифровые широкоапертурные каме ры неба , используемые для исследования пространст венной мелкомасштабной структуры характеристик верхней атмосферы ( рис . 6), были введены в практику регулярных наблюдений с 2006 г . [ Михалев , др ., 2007; Тащилин и др ., 2010]. Регистрируемые короткопе риодические ВГВ характеризуются структурой или типом волны , скоростью , пространственным и вре менным масштабами , направлением распространения и другими свойствами . Считается , что некоторые ха рактеристики ВГВ , генерируемых в нижней атмосфе ре , во многом определяются фильтрацией волн фоно вым ветром средней атмосферы .

Рис . 4. Вариации эмиссии 557.7 нм в период подготов ки и развития землетрясений ( ЗТ ) в марте 1999 г . (1), ян варе 1992 г . (2) и феврале 1999 г . (3) [Mikhalev, 2001].

Рис . 5. Возмущение излучения эмиссионного слоя 557.7 нм во время полета космической системы « Энергия » 15 мая 1987 г . [ Михалев , Ермилов , 1997].

Оптические вспышки

Субвизуальные оптические вспышки ( ОВ ) излу чения ночной атмосферы являются наименее изу ченным явлением в оптике верхней атмосферы . Первоначально оптические вспышки были обнару жены в авроральной [ Надубович , 1970], затем в суб авроральной зонах [ Коробцова , 1981].

Нами также были обнаружены и исследованы ОВ в излучении ночной среднеширотной атмосферы с дли тельностями десятки – сотни миллисекунд ( рис . 7). Спектральный состав излучения ОВ к настоящему времени исследован недостаточно . ОВ были зарегист рированы в нескольких спектральных диапазонах – в области излучения запрещенных линий атомарного кислорода [OI] 557.7 и 630.0 нм , в ближней инфра красной (720–830 нм ), в синей и ультрафиолетовой (360–480 нм ) областях спектра . Определены энерге тические характеристики вспышек , особенности спек трального состава излучения ОВ , суточное распреде ление среднего числа вспышек , временная форма , пространственные масштабы отдельных вспышек и другие параметры [Ermilov, Mikhalev, 1991; Казан цев и др ., 1999; Михалев , Белецкий , 2000]. Был пред ложен источник и физическая интерпретация ОВ , свя занных с микровсплесками электронных потоков . Был сделан вывод , что среднеширотные ОВ являются своеобразным электронным импульсным сиянием в миллисекундном диапазоне значений длительности .

Рис . 6 . Волновая структура типа « рябь », регистрируе мая в излучении гидроксила ОН [ Тащилин и др ., 2010].

Время , с

Рис . 7. Оптическая вспышка 28 февраля 1998 г . (18:50 UT), зарегистрированная одновременно высоко чувствительной телевизионной системой ( вверху ) и зе нитным фотометром ( внизу ) [ Михалев , Белецкий , 2000].

Заключение

Таким образом , приведенный краткий обзор на блюдаемых вариаций и возмущений в собственном излучении верхней атмосферы позволил сделать вывод , что они достаточно разнообразны . По физи ческой природе возмущения в излучении атмосферы условно могут быть разделены на гидродинамиче ские , магнитосферные , аэрономические и другие , и могут быть связаны с явлениями в литосфере , в тро - по -, страто - и мезосфере , магнитосфере и на Солнце . В частности , возмущения в собственном излучении среднеширотной атмосферы Земли являются прояв лением волновой активности атмосферы ( ВГВ от различных источников , планетарные волны в пе риоды внезапных зимних стратосферных потепле ний ), высыпания энергичных частиц и нагрева верх ней атмосферы ( среднеширотные сияния и SAR- дуги во время геомагнитных бурь , оптические вспышки ), межсуточных , сезонных и межгодовых вариаций со става , структуры , температуры ( обусловленных , в ча стности , вариациями циркуляции атмосферы и сол нечной активности ) на высотах высвечивания эмис сий . В настоящее время не все нерегулярные вариа ции и возмущения в собственном излучении верх ней атмосферы Земли исследованы достаточно пол но , и не для всех однозначно определены источники , механизмы и процессы , приводящие к наблюдаемым вариациям . Многие задачи физики верхней атмосфе ры , связанные с изучением оптического излучения и сформулированные в предыдущие десятилетия , со храняют актуальность и в настоящее время ( см ., например , [ Шефов , 1989; Торошелидзе , 1991]).