Вариации атмосферной эмиссии 557.7 нм в период действия стратосферных потеплений в условиях высокой и низкой солнечной активности

Известно, что в период действия внезапных зимних стратосферных потеплений (СП) интенсивности сумеречного и ночного излучения верхней атмосферы испытывают колебания с амплитудой до 40–70 % в сумерки и до 20 % ночью [Фишкова, 1983]. В отдельных случаях отмечались увеличения интенсивности эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм ( I _557.7) до 100 % [Мегрелишвили, Фишкова, 1984]. Проведенные в Восточной Сибири исследования проявлений стратосферных потеплений в вариациях эмиссии 557.7 нм выявили аномально высокие значения этой эмиссии, превосходящие средние сезонные значения на 200–450 % и более [Mikhalev et al., 2001]. Механизм аномального увеличения интенсивности эмиссии 557.7 нм в период действия стратосферных потеплений в настоящее время неизвестен.

В настоящей работе проводится анализ вариаций I 557.7 в периоды действия стратосферных потеплений в условиях высокой и низкой солнечной активности в 23-м солнечном цикле с целью определения возможного механизма формирования аномально высоких значений I 557.7 .

Аппаратура и методы наблюдений

В работе были использованы данные экспериментальных наблюдений эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм, полученные в Геофизической обсерватории (ГО) ИСЗФ СО РАН (52° N, 103° E) в 1997–2008 гг. Оптические измерения проводились с помощью зенитного фотометра «Феникс», рабочие длины волн 557.7 и 630 нм и спектральные интервалы 360–410 и 720–810 нм. Эмиссионные линии 557.7 и 630 нм выделялись интерференционными качающимися светофильтрами (AX1/2 ~ 1-2 нм), спектральные диапазоны 360–410 и 720–830 нм – абсорбционными светофильтрами. Угловые поля зрения каналов фотометра составляли 4-5°. Абсолютная калибровка измерительных трактов аппаратуры осуществлялась в отдельные периоды по эталонным звездам и впоследствии контролировалась с помощью опорных световых источников.

Результаты наблюдений

Аномально высокие значения I 557.7 в [Mikhalev et al., 2001] были получены для условий повышенной солнечной активности. В связи с этим возникает вопрос о существовании особенностей проявлений вариаций I 557.7 в период действия СП для различных уровней солнечной активности. На рис. 1 представлены примеры межсуточных вариаций I _557.7 в периоды действия стратосферных потеплений, соответствующих различным уровням солнечной активности в 23-м солнечном цикле.

Общей характерной особенностью приведенных на рис. 1 графиков является наличие межсуточных колебаний I _557.7 с периодами в несколько суток (~4–8), соответствующих периодам планетарных волн. При этом, независимо от уровня солнечной активности, коэффициенты вариаций I _557.7, определяемые как отношение стандартных отклонений к средним за период, сохраняют близкие значения (~0.25–0.5). Полученные коэффициенты вариации в период действия СП оказываются сопоставимы с коэффициентами вариаций (~0.3–0.35), характеризующих разброс средних за ночь интенсивностей относительно среднего регулярного хода для многолетних наблюдений в Абастумани [Фишкова, 1983]. Основное отличие заключается в средних значениях I 557.7 для различных уровней солнечной активности. Средние значения I 557.7 отличаются в 5– 10 раз. Отмеченная особенность оказывается наиболее

Рис . 1. Межсуточные вариации I 55 _7.7 в периоды дейст вия стратосферных потеплений при различных уровнях солнечной активности . Указаны среднегодовые значения индекса F _10.7 .

характерной только для зимних месяцев и наиболее сильно проявляется в декабре. Иллюстрацией служит рис. 2, на котором приведено поведение среднемесячных значений I557.7 для марта и декабря в 23-м солнечном цикле по данным ГО ИСЗФ СО РАН. На этом же рисунке для сравнения жирной линией показано поведение среднегодовых значений I557.7. На рис. 2 знаками «+» и «–» соответственно отмечено наличие или отсутствие положительных аномалий в зональных стратосферных температурах (СП) для декабря согласно [ products/stratosphere/strat-trop/].

Обсуждения и выводы

Приведенные выше результаты наблюдений

Рис . 2. Поведение среднемесячных значений I 557.7 для марта и декабря в 23- м солнечном цикле .

позволяют предположить, что такие параметры вариаций I 557.7 ,как периоды межсуточных вариаций, коэффициент вариаций в периоды действия СП не зависят от уровня солнечной активности. Аномально высокие (≥ 1–2 кРл) значения I 557.7 в отдельные ночи есть результат колебаний I 557.7 относительно общего среднего высокого уровня интенсивности эмиссии 557.7 нм, установившегося к моменту проявления стратосферного потепления. В этом случае основной вопрос сводится к установлению причин высокого уровня I 557.7 в условиях высокой солнечной активности в 23-м солнечном цикле.

Изменения интенсивности эмиссии 557.7 нм в пределах солнечного цикла . Известно, что интенсивность эмиссии 557.7 нм зависит от уровня солнечной активности, в общем случае изменяясь синфаз-но с ним. Согласно некоторым работам [Гивишвили и др., 1996; Wang, et al., 1996; Фишкова и др., 2001], I 557.7 в пределах различных солнечных циклов может изменяться в 2–3 раза. Так, в [Гивишвили и др., 1996] приводятся многолетние межгодовые вариации I _557.7 по данным европейских станций, которые дают фактор изменчивости I 557.7 ~2 в пределах солнечных циклов. В [Wang, et al., 1996] представлены спутниковые данные I 557.7 для зимних месяцев и различных уровней солнечной активности, согласно которым изменчивость межгодовых значений I 557.7 может достигать величины 3. В [Фишкова и др., 2001] анализировалась зависимость среднемесячных значений I _557.7 от уровня солнечной активности ( F _10.7). Наибольшие коэффициенты регрессии получены для марта и апреля. Для этих месяцев Δ I 557.7 ~2 при F 10.7 от 75 до 250. Для декабря полученные коэффициенты регрессии существенно меньше.

Изменчивость среднегодовых значений I _557.7 по данным ГО ИСЗФ СО РАН, полученным в Восточ-

Вариации атмосферной эмиссии 557.7 нм в период действия стратосферных потеплений… ной Сибири, в 23-м солнечном цикле, составила ~4.5. Это несколько превышает полученные значения по данным наблюдений среднеширотных станций в других долготных зонах в предыдущие солнечные циклы но может быть можно объяснить долготными эффектами [Wang, et al., 1996] или особенностями 23-го солнечного цикла [Михалев А.В., Медведева, 2009]; отношение же максимальных и минимальных среднемесячных значений I557.7 в зимний период требует специального рассмотрения. В частности, I1/I2 ~9.5, где I1 – среднее за декабрь для 2001 г. и 2003 г. (период, близкий к максимуму солнечной активности 23-го цикла), I2 – среднее за декабрь для 2006–2008 гг. (минимум солнечной активности). Отношение экстремальных декабрьских значений I557.7 в 2001 и 2007 гг. дает значение ~28.

Зависимость интенсивности эмиссии 557.7 нм от концентрации атомарного кислорода .

В общем случае интенсивность эмиссии 557.7 нм зависит от высотных распределений концентраций атомарного кислорода, состава атмосферных компонент, участвующих в возбуждении и гашении уровня ¹S[O], и температуры на высотах высвечивания эмиссионного слоя 557.7 нм [Шефов и др., 2006]. Согласно оценкам [Mikhalev et al., 2001], наблюдаемые изменения температуры на высотах высвечивания слоя 557.7 нм не могут обеспечить наблюдаемые изменения интенсивности эмиссии 557.7 в пределах солнечного цикла. В силу этого в [Mikhalev et al., 2001] многолетние вариации I 557.7 связываются с изменением не менее чем в 1.3 раза концентрации атомарного кислорода в соответствии с амплитудой 11-летних колебаний. В настоящей работе также будет рассмотрен и оценен возможный вклад вариаций концентрации атомарного кислорода, для того чтобы объяснить наблюдаемые вариации и аномально высокие значения I 557.7 . В настоящее время считается общепринятым, что интенсивность эмиссии 557.7 нм, независимо от механизма Барта или Чепмена, имеет кубическую зависимость от концентрации кислорода [Шефов и др., 2006], т. е. I 557.7 ~ [O³]. В этом случае изменение среднемесячных значений I 557.7 за декабрь от максимума солнечной активности к минимуму около 10 раз, если их связывать только с изменениями концентрации атомарного кислорода, должно сопровождаться соответствующим изменением концентрации атомарного кислорода на высотах высвечивания эмиссионного слоя 557.7 нм более чем в 2 раза.

Наблюдаемые масштабы изменчивости концен трации атомарного кислорода на высотах высвечи вания эмиссии 557.7 нм .

Согласно модельным высотным распределениям концентрации атомарного кислорода [Шефов и др., 2006], отношение годовых значений концентраций атомарного кислорода в максимуме слоя для высокой (F10.7=203) и низкой (F10.7 = 75) солнечной активности составляет ~1.15. При пересчете для единичного столба в приводимом диапазоне высот (84– 100 км) эта величина достигает ~1.19, но недостаточна для возможной интерпретации наблюдаемых вариаций I557.7. Возможно, это связано с отмечаемой в [Шефов и др., 2006] трудностью учета некоторых факторов (перемещающиеся планетарные волны, долготные эффекты), что приводит к несовпадению данных концентраций атомарного кислорода и модельных для конкретных гелиогеофизических условий. Рассмотрение высотных распределений концентрации атомарного кислорода для отдельных месяцев [Шефов и др., 2006] также не позволяет получить необходимые отношения концентраций атомарного кислорода при различных уровнях солнечной активности.

Между тем, в ряде работ можно найти экспериментальные указания на наличие более значительных вариаций концентрации атомарного кислорода. Например, в работе [Кошелев и др., 1983] при анализе экспериментов по измерению [O] отмечается, что интегральное содержание атомарного кислорода в слое может изменяться примерно в 4 раза на временном масштабе нескольких недель.

Наиболее интересными являются результаты, приводимые в работе [Амосов и др., 2009]. Они указывают на возможное уменьшение концентрации атомарного кислорода в зимние месяцы до трех раз при переходе от максимума солнечной активности к минимуму. Следует отметить, что эти данные относятся к 23-му циклу солнечной активности и тому же региону – Восточной Сибири. Отмеченные в работе [Амосов и др., 2009] особенности изменения концентрации атомарного кислорода в зимние месяцы объясняются увеличением активности планетарных волн в зимний период.

Подтверждением увеличения концентрации атомарного кислорода в годы высокой солнечной активности являются и модельные расчеты концентрации атомарного кислорода в максимуме слоя, полученные с использованием обсуждаемых в настоящей работе оптических данных свечения эмиссии 557.7 нм для периода 2000–2004 гг. [Hong, et al., 2009]. В работе [Hong, et al., 2009] концентрации атомарного кислорода в максимуме слоя, полученные с использованием модельных расчетов интенсивности эмиссии 557.7 нм по механизму Барта и модели MSISE-00 для распределений атмосферных параметров, в декабре 2001 г. в 2 раза превышали соответствующие значения декабря 2004 г.

Если результаты работы [Амосов и др., 2009], указывающие на возможность трехкратного изменения [О] в 23-м солнечном цикле, являются справедливыми и получат дальнейшее подтверждение, то обсуждаемая в настоящей работе значительная изменчивость I _557.7 в зимние месяцы при переходе от минимума солнечной активности к максимуму может найти качественное и количественное подтверждение. Отличие зависимостей I 557.7 от уровня солнечной активности, получаемых из моделей и данных европейских станций, может быть связано с существованием долготной зависимости для атомарного кислорода при высокой солнечной активности и ее отсутствии при низкой солнечной активности [Дзюбов и др., 1984], обсуждаемой в [Wang, et al., 1996] ролью квазистационарных планетарных волн в планетарном распределении I _557.7 и недооценкой роли нижележащей атмосферы или подстилающей поверхности.

Следует добавить, что описанное в [Фишкова, 1983] увеличение I _557.7 до 100 % во время СП зимой 1980–1981 гг. также совпадает с периодом максимума солнечной активности.

Выводы

• 1.    Аномально высокие значения I 557.7 в Восточной Сибири в период СП могут быть следствием высокой средней I 557.7 интенсивности в зимние месяцы в годы высокой солнечной активности. В период действия СП на средний уровень I 557.7 накладываются межсуточные колебания с периодами в несколько суток (~4–8 суток), в максимуме которых и наблюдаются аномально высокие суточные значения I 557.7 .

• 2.    Аномально высокий уровень I 557.7 в зимние месяцы в Восточной Сибири может быть связан с увеличением в 2–3 раза концентрации атомарного кислорода на высотах высвечивания эмиссии 557.7 нм в годы высокой солнечной активности.

• 3.    Для фиксированной широтно-долготной зоны (Восточная Сибирь) среди возможных причин увеличения концентрации атомарного кислорода в период высокой солнечной активности может рассматриваться активизация атмосферных волн (планетарных, ВГВ), на которые, в свою очередь, оказывают совместное влияние циркуляция атмосферы, термодинамический режим атмосферы и земной поверхности, орография.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 09-05-00243-а, 08-05-92208-ГФЕН-а и Программы Президиума РАН № 16 (часть 3).