Влияние сезонной активности волн на температурный режим мезопаузы по наблюдениям гидроксильного излучения в Восточной Сибири и Европейской части России

Известно , что мезопауза ( область атмосферы 80– 100 км ) характеризуется наиболее низкими значе ниями температуры в течение всего года , а ее тем пературный режим испытывает как активное воз действие солнечного излучения , так и влияние энер гии диссипации волновых процессов , возникающих в нижних слоях атмосферы . Поэтому , исследуя тем пературу мезопаузы , можно получить сведения о большой совокупности фотохимических и динами ческих процессов , формирующих температурный режим в этой области атмосферы . Одним из надеж ных методов измерения температуры мезопаузы является регистрация характеристик излучения гид роксила [ Шефов и др ., 2006].

Атмосферные эмиссии гидроксила ( ОН ) возни кают в результате химических процессов нечетного кислорода [Bates, Nicolet, 1950]

O + O 2 +M → O 3 +M ,

O 3 + H → OH( ν ≤ 9) + O 2

и образуют излучающий слой с максимумом интен сивности на высоте ~87 км и толщиной ~9 км [Baker, Stair, 1988]. Спектр эмиссий гидроксила представляет собой совокупность инфракрасных колебательно - вращательных полос , на основе наи более ярких линий которых определяется враща тельная температура молекул ОН . Данная враща тельная температура отражает температуру атмо сферы на высотах мезопаузы [ Шефов и др ., 2006].

Температура в области мезопаузы характеризуется большой изменчивостью. Амплитуда сезонных вариаций достигает на отдельных станциях наблюдения 30 K [Espy, Stegman, 2002]. Межсуточная и внутрисуточная изменчивость температуры, обу- словленная воздействием волн различного временного масштаба, хотя и уступает сезонным вариациям по величине, является также значительной, и, по-видимому, ее поведение носит сезонный характер.

В настоящей работе исследуются сезонные вариа ции температуры мезопаузы и ее межсуточной и ночной изменчивости на основе длительных спек тральных наблюдений гидроксильного излучения в Геофизической обсерватории ( ГФО ) ИСЗФ СО РАН (52° N, 103° E, п . Торы ) и на Звенигородской научной станции ИФА РАН (56° N, 37° Е ).

Измерения температуры и анализ результатов

Для регистрации спектров излучения верхней атмосферы в ближней ИК - области используются светосильные дифракционные спектрографы , осна щенные высокочувствительными цифровыми при емниками с ПЗС - матрицами (1024×128 пикселов ). Детальное описание приборов дано в [ Семенов и др ., 2002]. Вращательная температура гидроксила вычис лялась по распределению интенсивности по первым трем линиям Р - ветви колебательно - вращательной полосы ОН (6–2) 834.0 нм . Метод ее определения по дробно изложен в [ Шефов и др ., 2006]. Точность оп ределения вращательной температуры гидроксила по данной методике составляет ~2 K.

В работе использованы данные измерений гидро ксильной температуры в ГФО ИСЗФ СО РАН за пери од с апреля 2008 по декабрь 2011 г . и на станции Зве нигород за период с января 2000 по декабрь 2011 г .

На основе этих данных с помощью метода наи меньших квадратов получены статистически значи мые характеристики сезонных вариаций температуры , представленные в таблице за 2008–2011 гг . для обеих обсерваторий и отдельно для Звенигорода за 2000–

Характеристики сезонных вариаций гидроксильной температуры по наблюдениям в ГФО ИСЗФ СО РАН и на ст. Звенигород

Обсерватория	Средняя температура , K	Годовая гармоника		Полугодовая гармоника		4- месячная гармоника
		Амплитуда , K	Фаза максимума , день года	Амплитуда , K	Фаза первого максимума , день года	Амплитуда , K	Фаза первого макси мума , день года
ГФО ИСЗФ (2008–2011 гг .)	191.1 + 0.6	23.0 + 0.8	351.9 + 2.0	4.7 + 0.7	82.2 + 5.1	5.9 + 0.8	4.5 + 2.5
Звенигород (2008–2011 гг .)	190.9 + 0.4	23.4 + 0.5	354.5 + 1.1	8.0 + 0.5	71.3 + 1.7	1.5 + 0.5	119.7 + 6.3
Звенигород (2000–2011 гг .)	192.7 + 0.2	23.9 + 0.3	352.6 + 0.7	7.2 + 0.3	78.4 + 1.2	1.6 + 0.3	105.1 + 3.4

Сезонные изменения стандартных отклонений температуры , вызванные планетарными волнами ( σ _pw), приливами ( σ _td) и внутренними гравитационными волнами ( σ _gw), по данным ГФО ИСЗФ СО РАН ( а ) и ст . Звенигород ( б ).

2011 гг . Количество анализируемых ночей наблю дения в период 2008–2011 гг . составило 451 для Ир кутска и 454 для Звенигорода .

Обращает на себя внимание некоторое расхож дение в характеристиках 2- й и 3- й гармоник , выяв ленных по данным рассматриваемых обсерваторий . Наблюдаемое расхождение , вероятно , обусловлено широтно - долготным эффектом .

Анализ межсуточной и ночной изменчивости температуры гидроксила основан на статистическом анализе данных за 2008–2011 гг . и выделении из них геофизически обусловленных характеристик темпе ратурных изменений . Известно , что межсуточные изменения температуры в мезосфере и нижней тер мосфере в основном обусловлены планетарными волнами , периоды которых могут быть более 20 дней . В работах [Bittner et al., 2002; Offermann et al., 2009]

для анализа проявления активности планетарных волн в атмосфере были использованы среднемесяч ные стандартные отклонения средненочной темпе ратуры ( σ pw ) от ее годового хода . Применяя данный подход , мы получили сезонные изменения средне месячных температурных отклонений для ГФО ИСЗФ СО РАН и ст . Звенигород . На рисунке их зна чения представлены в процентах от соответствую щей температуры на ее годовом ходе . Можно отме тить , что изменчивость температуры мезопаузы вследствие активности планетарных волн по наблю дениям в ГФО ИСЗФ СО РАН ( панель а ) в 1.5–2 раза выше , чем по данным ст . Звенигород ( панель б ). Видно также , что по данным ГФО наблюдаются более значительные сезонные вариации σ _pw, чем по звенигородским данным .

В качестве характеристики ночной изменчивости температуры гидроксила принято ее стандартное отклонение от средненочной температуры ( σ ). Со гласно [Offermann et al., 2009] квадрат данного стан дартного отклонения ( т . е . дисперсию ночной тем пературы ) можно представить как сумму дисперсий

σ =σtd +σgw +σn , характеризующих активность в течение ночи приливов (σtd2), внутренних гравитационных волн (σgw2), а также флуктуаций темнового тока приемника спектрографа (σn2), определяемых при закрытой входной щели прибора. Величины σgw и σtd можно последовательно определить после выделения из ряда ночных температур методом наименьших квадратов гармоник, соответствующих 24-, 12- и 8-часовой компонентам суточного прилива. На рисунке показаны сезонные вариации относительных (т. е . в процентах от средненочных значений температуры) стандартных отклонений σtd и σgw. Как и в случае с σpw, ночные стандартные отклонения по данным ГФО ИСЗФ СО РАН превышают стандартные отклонения, полученные по данным ст. Звенигород (в отдельные месяцы в 1.5–2 раза), что, по-видимому, может свидетельствовать о влиянии на температурный режим мезопаузы волновых процессов, обусловленных высокой сейсмической активностью, характерной для данного региона, и окружающим горным рельефом в месте расположения ГФО ИСЗФ СО РАН (орографический эффект) [Чунчузов, 1988, Chunchuzov, 1994].

ее

Заключение

Представлены сезонные вариации температуры и межсуточной и ночной изменчивости в области

Влияние сезонной активности волн на температурный режим мезопаузы по наблюдениям гидроксильного излучения… мезопаузы (высоты 80–100 км) по спектральным наблюдениям гидроксильного излучения в Восточной Сибири (ГФО ИСЗФ СО РАН) в течение 2008– 2011 гг. и в Европейской части России (Звенигородская научная станция ИФА РАН) в течение 2000– 2011 гг. В качестве характеристик изменчивости температуры используются стандартные отклонения, которые в зависимости от временного интервала, взятого для анализа температурных вариаций, являются индикаторами активности различных атмосферных волн, распространяющихся в верхней атмосфере. Результаты анализа свидетельствуют о более высоких значениях параметров сезонных вариаций и изменчивости температуры мезопаузы в Восточно-Сибирском регионе по сравнению с Европейской частью России.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ ( грант № 12-05-01163 а ), Министерства обра зования и науки Российской Федерации ( соглаше ние № 8388) и проекта № ОНЗ -8.3 программы ОНЗ РАН № 8.