CC BY
15
УДК 550.388
В. И. Сивцева
Сезонные колебания активности внутренних гравитационных волн в области мезопаузы по измерениям на станции Маймага
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск, Россия
Аннотация. Область мезопаузы 80-100 км как область атмосферы с крайне изменчивой и наиболее низкой температурой вызывает большой исследовательский интерес. Волновая активность вносит существенный вклад в температурный режим мезопаузы, и для понимания температурного поведения мезопаузы и близлежащих областей необходимо ее тщательное изучение. 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. Вращательная температура, определяемая по распределению интенсивности в полосе гидроксила (ОН), является близкой к кинетической температуре нейтрального газа на высоте излучения. На станции Маймага (63.04° N, 129.51° E) с 2013 года ведется наблюдение температуры высокоширотной мезопаузы (87 км) с помощью спектрографа Shamrock (Andor), регистрирующего полосу ОН (3, 1). Исследованы данные температуры, полученные за сезоны с 2013 по 2017 гг. Выделены стандартные отклонения температуры, соответствующие внутренним гравитационным волнам agw и приливным волнам otd. Сезонный ход приливной компоненты стандартных отклонений температуры otd варьирует от 2 до 5 К на протяжении всех сезонов наблюдений. Наблюдаемый на станции Маймага сезонный ход и значения гравитационной компоненты стандартных отклонений температуры agw почти совпадают для трех сезонов наблюдений кроме сезона 2014-2015 гг. В этом сезоне наблюдений agw имеет более низкие значения в зимний период, чем в остальные сезоны наблюдений. Кроме того, в сезоне 2014-2015 гг. среднемесячные температуры зимней мезопаузы превышают аналогичные значения в другие сезоны. Сезонное изменение гравитационной составляющей варьирует от 2 до 6 К, а в сезоне 2014-2015 - от 1.5 до 5 К. Более низкие показатели активности ВГВ в зимний период сезона 2014-2015 гг. могут быть объяснены тем, что, возможно, в этот сезон значительная часть энергии ВГВ была поглощена на высоте, близкой к высоте эмиссионного слоя, что подтверждается наблюдаемой повышенной среднемесячной температурой в этот период. Для дальнейших исследований планируется обработка температурных данных со спутников Aura/MLS и TIMED/ SABER.
Ключевые слова: область мезопаузы, высокие широты, эмиссия гидроксила, свечение ночного неба, внутренние гравитационные волны, приливные волны, сезонные вариации, вращательная температура, суточные приливы, спектрограф Shamrock.
Работа выполнена при поддержке гранта Главы Республики Саха (Якутия) для молодых ученых, специалистов и студентов.
DOI 10.25587/SVFU.2018.66.16121
СИВЦЕВА Вера Исаевна - аспирант Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН.
E-mail: [email protected]
SIVTSEVA Vera Isaevna - Postgraduate Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS.
V. I. Sivtseva
Seasonal Fluctuations in the Activity of Internal Gravity Waves in the Mesopause Region from Measurements at the Maimaga Station
Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS, Yakutsk, Russia
Abstract. The mesopause region of 80-100 km as a region of the atmosphere with an extremely volatile and very low temperature causes great interest in its investigation. Wave activity makes a significant contribution to the temperature regime of mesopause and its careful study is necessary to understand the temperature behavior of mesopause and surrounding areas. In the mesosphere and lower thermosphere, wave activity is studied using both a satellite measurement method and ground-based observations. The most common and accessible ground-based methods are spectral observations of OH (3, 1) emissions, excited in the mesopause region. The rotational temperature determined from the distribution of intensities in the hydroxyl band is close to the kinetic temperature of neutral gas at an emission height. At Maimaga station (63.04° N, 129.51° E) from 2013, the temperature of the high-latitude mesopause (87 km) is monitored using the Shamrock (Andor) spectrograph recording the OH band (3, 1). The temperature data obtained for the seasons from 2013 to 2017 are investigated. Standard temperature deviations corresponding to internal gravity waves agw and to tidal waves atd are obtained. The seasonal course of the tidal component of standard deviations of temperature atd varies from 2 to 5 K throughout all seasons of observations. The seasonal variation of the gravitational component of standard deviations of temperature agw observed at Maimaga station almost coincides for three observation seasons except for the 2014-2015 season. In this observation season, a has lower values in winter than in other seasons. In addition, in the 2014-2015 season,
' gw ' '
average monthly temperatures exceed similar values in other seasons. Seasonal change in the gravitational component varies from 2 to 6 K, and in the 2014-2015 season from 1.5 to 5 K. The lower IGW activity in the winter period of the 2014-2015 season can be explained by the fact that it is possible that during this season a significant part of the IGW energy was absorbed at a height close to the height of the emission layer, which is confirmed by the observed elevated mean monthly temperature during this period. For further research, it is planned to process temperature data from Aura / MLS and TIMED / SABER satellites.
Keywords: mesopause region, high latitudes, hydroxyl emission, airglow, internal gravity waves, tidal waves, seasonal variations, rotational temperature, diurnal tides, Shamrock spectrograph.
This work was supported by a grant from the Head of the Republic of Sakha (Yakutia) for young scientists, specialists and students.
Введение
В последнее время область мезопаузы вызывает все больший интерес к исследованию. Это связано с тем, что данная область активно взаимодействует с радиационными частицами, приходящими сверху, и с широким спектром атмосферных волн, распространяющихся вверх из нижних слоев атмосферы [1], среди которых особую роль играют внутренние гравитационные волны (ВГВ).
Волновая активность вносит существенный вклад в температурный режим мезопаузы. Приливы обуславливают адиабатическое сжатие и расширение области мезопаузы, соответственно вызывая разогрев или охлаждение окружающей среды [2]. 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 [3]. Амплитуда 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.
Большое количество исследований волновой активности на высоте мезопаузы по наблюдениям излучения гидроксила проводилось на средних широтах [4, 5]. В то же время имеется недостаток подобных исследований на высоких широтах. Поэтому большой интерес представляют поведение температуры и волновая активность высокоширотной мезопаузы [6]. И с целью ее изучения в данной работе представлены исследования стандартных отклонений с температуры от ее средненочных значений в области мезопаузы (87 км) по измерениям на высокоширотной станции Маймага (63.04° N, 129.51° E).
Приборы и метод обработки данных
Для регистрации полосы гидроксила OH (3, 1) использовался светочувствительный инфракрасный спектрограф, оснащенный монохроматором Shamrock SR-303i с рабочим диапазоном длин волн 1490-1544 нм. Спектрограф дает возможность измерять температуру мезопаузы с точностью ~ 2 K. Разработанное нами программное обеспечение позволяет прибору работать полностью в автономном режиме [7].
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 [8, 9]. Вращательная температура, определенная по распределению интенсивности в полосе гидроксила (ОН), соответствует кинетической температуре нейтрального газа на высоте излучения [10, 11]. При оценке вращательной температуры по полосе гидроксила были использованы вероятности перехода, рассчитанные Mies [12].
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 с температуры от ее средненочного значения. Оно является суперпозицией различных волн, активных в ночное время суток, и шума темнового тока детектора. Согласно работе Offermann et al. [13], суперпозиция волн может быть представлена в виде:
а =Va<d +agw +an2oise , (1)
где ctd - стандартное отклонение температуры, обусловленное приливными волнами, cgw - стандартное отклонение температуры, обусловленное внутренними гравитационными волнами, с . - стандартное отклонение температуры, обусловленное шумом темнового тока детектора. с . 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 ctd определялась посредством выделения из ночного температурного ряда методом наименьших квадратов гармоник, соответствующих 24-, 12- и 8-часовой компонентам суточного прилива.
f = T
xtd 1
- A1 cos
2n 1440
^ (2n ~
(.t) + Acos ~{t)
J \720
- A3 cos
2n 480
(()
(2)
ftd - сумма гармоник суточного прилива (периоды указаны в минутах); Ар А2, А3 - амплитуды гармоник суточного прилива; фр ф2, ф3 - фазовые сдвиги гармоник; t - время в минутах. Результат вычитания из ночного температурного ряда суммы гармоник суточного прилива соответствует вкладу в температуру шума темнового тока и распространения ВГВ. Отсюда, зная значение о , можно вычислить стандартное отклонение о .
' noise' * gw
Результаты наблюдений и их анализ
Наблюдения с помощью спектрографа Shamrock на ст. Маймага велись четыре полных сезона с 2013 по 2017 гг. На рис. 1 показаны средненочные вращательные температуры гидроксила по наблюдениям на этой станции. Синяя линия является линией скользящего среднего с окном пропускания 30 дней и представляет собой сезонные вариации средненочной температуры.
Приливные составляющие стандартных отклонений температуры представлены на рис. 2. Красная линия является линией скользящего среднего с окном пропускания 30 дней и представляет собой сезонный ход приливной компоненты otd. Сезонный ход приливной компоненты стандартных отклонений температуры otd варьирует от 2 до 5 К на протяжении всех сезонов наблюдений.
240
Рис. 1. Средненочные вращательные температуры гидроксила по наблюдениям на ст. Маймага в течение 2013-2017 гг.
Рис. 2. Сезонные вариации приливной компоненты стандартных отклонений температуры, являющиеся скользящим средним с окном усреднения 30 дней
Рис. 3. Сезонные вариации ВГВ-компоненты стандартных отклонений температуры, являющиеся скользящим средним с окном усреднения 30 дней
Рис. 4. Среднемесячные вращательные температуры гидроксила
Стандартные отклонения температуры, соответствующие ВГВ, показаны на рис. 3, где красной линией обозначено скользящее среднее с окном пропускания 30 дней, представляющее сезонный ход гравитационной компоненты о^.
Наблюдаемые на станции Маймага значения гравитационной компоненты стандартных отклонений температуры о^ и их сезонные вариации почти совпадают для трех сезонов наблюдений, кроме одного. В сезоне наблюдений 2014-2015 гг. гравитационная компонента стандартных отклонений температуры о^ имеет более низкие значения в зимний период, чем в остальные сезоны наблюдений. Кроме того, в этот сезон среднемесячные температуры зимней мезопаузы, наоборот, превышают значения в другие сезоны в среднем на 8.3 К (рис. 4). Сезонное изменение гравитационной составляющей варьирует от 2 до 6 К, а в сезоне 2014-2015 от 1.5 до 5 К.
Более низкие показатели активности ВГВ в зимний период сезона 2014-2015 гг. могут быть объяснены тем, что, возможно, в этот сезон значительная часть энергии ВГВ была поглощена на высоте, близкой к высоте эмиссионного слоя, что подтверждается наблюдаемой повышенной среднемесячной температурой в этот период.
Заключение
С целью изучения волновой активности высокоширотной мезопаузы рассмотрены стандартные отклонения о средненочных температур по измерениям на ст. Маймага (63.04 ° N, 129.51 ° E). Регистрация спектров осуществлялась с помощью светочувствительного инфракрасного спектрографа Shami-оск (производитель Andor Technology Ltd), регистрирующего полосу ОН (3, 1) в ближней инфракрасной области (~1.5 мкм). Были изучены данные за наблюдательные сезоны с 2015 по 2017 г.
Определены стандартные отклонения температуры, соответствующие внутренним гравитационным волнам ogw и приливным волнам otd. На протяжении всего времени наблюдений сезонный ход приливной компоненты стандартных отклонений температуры otd варьирует от 2 до 5 К. Наблюдаемые на станции Маймага значения гравитационной компоненты стандартных отклонений температуры ogw и их сезонные вариации почти совпадают для трех сезонов наблюдений, кроме одного. Гравитационная компонента стандартных отклонений температуры ogw имеет более низкие значения в зимний период сезона 2014-2015, чем в остальные сезоны наблюдений. Кроме того, в этот сезон среднемесячные температуры зимней мезопаузы, наоборот, превышают значения в другие сезоны.
Данное явление может быть обусловлено поглощением значительной части энергии ВГВ на высоте, близкой к высоте эмиссионного слоя, что согласуется с наблюдаемой повышенной среднемесячной температурой в этот период. Для дальнейших исследований планируется обработка температурных данных со спутников Aura/MLS и TIMED/SABER.
Л и т е р а т у р а
1. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 413 с. ISBN ВВН 0342-БН2-190518-04.
2. Чепмен С., Линдзен Р. Атмосферные приливы. - М.: Мир, 1972. - 295 с.
3. Hines С. O., The upper atmosphere in motion, AGU, Washington D. C., 1027 (1974).
4. Offermann, D., Wintel, J., Kalicinsky, C., Knieling, P., Koppmann, R., Steinbrecht. W., "Long-term development of short-period gravity waves in middle Europe," J. Geophys. Res. 116, D00P07 (2011).
5. Perminov V. I., Semenov A. I., Medvedeva I. V., Pertsev N. N., "Temperature variations in the mesopause region according to the hydroxyl-emission observations at midlatitudes," Geomagnetism and Aeronomy 54(2), 230-239 (2014).
6. Колтовской И. И., Аммосов П. П., Гаврильева Г. А., Аммосова А. М., Сивцева В. И. Результаты сравнения температуры мезопаузы на разнесенных по широте станциях. - Химическая физика. - 2018. - 35(5). - С. 50-55.
7. Koltovskoi I. I., Ammosov P. P., Gavrilyeva G. A., Ammosova A. M., Sivseva V. I., "New infrared spectrograph for the investigation of the mesopause region," Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 1046645, 2017.
8. Ammosov, P. P. and Gavrilyeva, G. A., "Infrared Digital Spectrograph for Measuring Hydroxyl Rotational Temperature," Prib. Tekh. Eksp. 43(6), 2000. 792-797.
9. Gavrilyeva, G. A. and Ammosov, P. P., "Seasonal variation in the mesopause temperature over Yakutsk (63° N, 129.5° E)," Geomagnetism and Aeronomy 42(2), 2002. Р. 267-271.
10. Шефов Н. Н., Семенов А. И., Хомич В. Ю. Изучение верхней атмосферы - индикатор ее структуры и динамики. - М.: ГЕОС, 2006. - 741 c. ISBN 5-89118-330-7
11. Noll S., Kausch W., Kimeswenger S., Unterguggenberger S., Jones A. M., "OH populations and temperatures from simultaneous spectroscopic observations of 25 bands", Atmospheric Chemistry and Physics. 15, 2015. Р. 3647-3669.
12. Mies, F. H., "Calculated vibrational transition probabilities of OH (Х2П)," J. Molecular Spectroscopy 53(2), 1974. Р. 150-180.
13. Offermann, D., Gusev, O., Donner, M., Forbes, J. M., Hagan, M., Mlynczak, M. G., Oberheide, J.,
Preusse, P., Schmidt, H., Russell, J. M. III., "Relative intensities of middle atmosphere waves," J. Geophys. Res. 114, D06110 (2009).
R e f e r e n c e s
1. Bras'e G., Solomon S. Aehronomiya srednej atmosfery. - L.: Gidrometeoizdat, 1987. - 413 s. ISBN VVN 0342-BN2-190518-04.
2. CHepmen S., Lindzen R. Atmosfernye prilivy. - M.: Mir, 1972. - 295 s.
3. Hines C. O., The upper atmosphere in motion, AGU, Washington D. C., 1027 (1974).
4. Offermann, D., Wintel, J., Kalicinsky, C., Knieling, P., Koppmann, R., Steinbrecht. W., "Long-term development of short-period gravity waves in middle Europe," J. Geophys. Res. 116, D00P07 (2011).
5. Perminov V. I., Semenov A. I., Medvedeva I. V., Pertsev N. N., "Temperature variations in the mesopause region according to the hydroxyl-emission observations at midlatitudes," Geomagnetism and Aeronomy 54(2), 230-239 (2014).
6. Koltovskoj I. I., Ammosov P. P., Gavril'eva G. A., Ammosova A. M., Sivceva V. I. Rezul'taty sravneniya temperatury mezopauzy na raznesennyh po shirote stanciyah. - Himicheskaya fizika. - 2018. -35(5). - S. 50-55.
7. Koltovskoi I. I., Ammosov P. P., Gavrilyeva G. A., Ammosova A. M., Sivseva V. I., "New infrared spectrograph for the investigation of the mesopause region," Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 1046645, 2017.
8. Ammosov, P. P. and Gavrilyeva, G. A., "Infrared Digital Spectrograph for Measuring Hydroxyl Rotational Temperature," Prib. Tekh. Eksp. 43(6), 2000. 792-797.
9. Gavrilyeva, G. A. and Ammosov, P. P., "Seasonal variation in the mesopause temperature over Yakutsk (63° N, 129.5° E)," Geomagnetism and Aeronomy 42(2), 2002. R. 267-271.
10. SHefov N. N., Semenov A. I., Homich V. YU. Izuchenie verhnej atmosfery - indikator ee struktury i dinamiki. - M.: GEOS, 2006. - 741 c. ISBN 5-89118-330-7
11. Noll S., Kausch W., Kimeswenger S., Unterguggenberger S., Jones A. M., "OH populations and temperatures from simultaneous spectroscopic observations of 25 bands", Atmospheric Chemistry and Physics. 15, 2015. R. 3647-3669.
12. Mies, F. H., "Calculated vibrational transition probabilities of OH (X2n)," J. Molecular Spectroscopy 53(2), 1974. R. 150-180.
13. Offermann, D., Gusev, O., Donner, M., Forbes, J. M., Hagan, M., Mlynczak, M. G., Oberheide, J., Preusse, P., Schmidt, H., Russell, J. M. III., "Relative intensities of middle atmosphere waves," J. Geophys. Res. 114, D06110, 2009.
^Hir^r
