Автореферат (1149450), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Распределение зарегистрированныхВГВ по фазовым скоростям. 9 40 ЧИСЛО СЛУЧАЕВ10090807060504030201000510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60ПЕРИОД (МИН)Рисунок 4. Распределениезарегистрированных ВГВ по периодам.Рисунок 5. Распределениепреимущественного распространения ВГВ понаправлениям.Зарегистрированные волны преимущественно распространяются в западномнаправлении (рисунок 5). Известно, что в зимний период на северном полушариизональный фоновый ветер в средней атмосфере (стратосфера, мезосфера) направлен сзапада на восток.
ВГВ, поднимаясь снизу-вверх, должны распространяться против ветра.Выявленное азимутальное направление распространения волн в высокоширотноймезопаузе, согласуется с теорией фильтрации волн фоновым ветром в средней атмосфере[7].Распределение параметров волн на высоких широтах, зарегистрированных нами,близко к результатам исследования волн на низких и средних широтах.
Например,распределение периодов волн точно повторяет распределения, полученные для среднихширот (в Японии) [7] и вблизи экватора в Бразилии [8] с теми же средними значениямипериодов волн. Средние значения длин волн и скоростей их распространения, измеренныенами на высоких широтах, больше чем зарегистрированные на средних широтах на 10 км,а фазовые скорости – больше примерно на 20 м/с. В работе [9] по данным, полученным вРезолют Бэй, Канада (75°N, 265°E), измеренные на авроральных широтах средниезначения длин волн совпадают с полученными нами в Маймаге. Известно, что длиныволн, измеренные с кадра камеры всего неба, имеют истинные значения.
Они неискажаются под воздействием фонового ветра на высоте эмиссионного слоя, как этопроисходит с периодом или фазовой скоростью волны. Следовательно, большие значениядлин волн на высоких широтах можно принять как экспериментальный факт.В четвертой главе излагаются результаты исследования полусуточныхтермических приливов.
Несмотря на то, что в последние годы наблюдается ростколичества исследований приливных колебаний по их влиянию на свечение ночного неба,они все еще разрознены. Большинство измерений проводились в области полярной шапкии на средних широтах. В этой главе излагаются результаты исследования полусуточныхтермических приливов, параметры которых получены по флуктуациям вращательныхтемператур молекулярных эмиссий гидроксила ОН(6,2) и Атмосферной системыкислорода О2(0-1), возбуждающихся примерно на 87 и 95 км соответственно.Были использованы данные, полученные с инфракрасного цифрового спектрографаСП-50, за 1999-2005 года. Наблюдения проводились при угле погружения Солнца более9°, в безоблачные ночи, без сияний.
Спектры гидроксильной эмиссии экспонировались свременным разрешением в 10 мин. Из-за коротких температурных рядов (максимальнаядлительность 14 часов) суточная компонента не исследовалась. Для анализа были10 выбраны наблюдения с октября по март, когда длительность наблюдений была не менее 8ч. За 5 сезонов было получено 381 ночей наблюдений, что позволило исследоватьсезонную вариацию параметров полусуточного прилива.Метод оценки вращательной температуры молекулярных эмиссий основан наподгонке модельных спектров, построенных с учетом аппаратной функции прибора дляразличных заранее заданных температур, к реально измеренному спектру [5].
Модельныйспектр, отклонение которого от реального не превышает шума регистрации, считаетсянаиболее соответствующим действительности, и определенная по нему вращательнаятемпература соответствует температуре на высоте области мезопаузы. При такой выборкеоценки вращательной температуры с систематическими ошибками, превышающимислучайные, исключаются из обработки. Как показывают оценки, случайные ошибкиизмерения температуры лежат в пределах 2–5 К в зависимости от уровня отношениясигнал/шум. При расчете вращательной температуры молекулы гидроксила былииспользованы вероятности перехода, приведенные в работе [10].Метод оценки температуры по полосам излучения гидроксила основан нараспределении интенсивностей в линиях вращательных полос, которые связаны стемпературой «возбуждения» молекул следующим соотношением: где i(J’) – фактор интенсивности, F(J’) – энергия возбуждения, J’ – вращательноеквантовое число верхнего исходного уровня, Т – вращательная температура, λ – длинаволны, k – постоянная Больцмана, h – постоянная Планка.Сравнение измеренного спектра с модельным, вычисленным с учетом параметровпропускающей способности оптической системы спектрографа, позволяет оценитьтемпературу, при которой произошло возбуждение.
При заданной температуревычисляется линейчатый спектр молекулярной полосы гидроксила S(λ, T). Измеренныйспектр ищется суммированием по столбцам матрицы ПЗС-камеры, на выходеспектрографа получается дискретный ряд S(i, T) с равным интервалом длин волн, где i –номер пикселя. Спектральные параметры вращательных линий полос гидроксилаопределялись из «Атласа спектра излучения ночного неба 3000-12400 A» [11].Затем вычисляется модельный контур S(i) при заданном значении температуры,для чего модельный спектр молекулярной полосы S’(i, T) свертывается с реальнойаппаратной функцией прибора: где z(i) – аппаратная функция спектрографа, i – номер пикселя, m – ширинааппаратной функции.Стоит учитывать, что измеренный спектр состоит из линий гидроксильнойэмиссии и непрерывной составляющей.
Эта составляющая складывается из континууманочного неба и иных компонент, таких как сумерки, лунный свет, звездная составляющаяи т.д. Эти непрерывные части входят в моделируемый спектр S’’(i) как слагаемое,представленное в виде линейной функции: где A+B·i – непрерывная составляющая спектра, С – коэффициент подгонки.11 Предполагается, что температура, при которой сумма квадратов отклонениймодельного спектра от экспериментальных значений F(T) минимальна, соответствуетреальной вращательной температуре: где F(T) – отклонение модельного контура от экспериментальных значений, E(i) –реальный спектр, k1, k2 – область подгонки.Условие минимизации функционала F(T) приводит к системе линейных уравненийотносительно параметров подгонки А, В и С для заданной температуры. Подгонкаконтуров производится при заданных температурах от 100 K до 300 K с шагом в 2 K.
Врезультате подгонки получаем ряд значений F(T), минимальное значение из которыхсоответствует температуре, при которой модельный контур наиболее точно отражаетспектр, полученный на инфракрасном спектрографе.В вариациях временных рядов температуры мезопаузы присутствуют не толькоприливные компоненты, но и флуктуации, связанные с распространением внутреннихгравитационных волн, амплитуды которых сопоставимы, а иногда и больше амплитудыприлива. Для уменьшения их влияния на искомые параметры, временные ряды былисгруппированы по часам, затем находилось среднее их значение.Амплитуда (А) и фаза (θ), определенная как время максимума полусуточногоприлива плюс средненочная составляющая (Ао) были определены приближением к рядуметодом наименьших квадратов модели Ао+ A cos(Ω(t - θT)).
Здесь Ω = 2π/12 часов, а t –местное солнечное время. Критерием пригодности приближения служил уточненныйквадрат смешанной корреляции R2> 0.2. В результате такого отбора 214 рядов ОН(6,2) и226 рядов О2(0-1) оказались пригодными для оценки параметров полусуточного прилива.Ошибки оценки амплитуды и фазы вычислялись исходя из значений полуширины 95%доверительного интервала оценки коэффициентов регрессии.
13 января 2005230Температура, K220210200полусуточный прилив в TOHTOH190полусуточный прилив в TO2TO218018:3820:3822:380:382:38Местное солнечное время4:386:38Рисунок 6. Пример выделения приливной компоненты в измерениях температуры верхнеймезосферы в ночь с 13 на 14 января 2005 г.
Черные кружки, соответствуют вращательнойтемпературе эмиссии ОН(6,2), открытые кружки, – вращательной температуре эмиссии О2(0-1).Сплошная и штриховая линии указывают полусуточный прилив в обеих эмиссиях. Амплитудаволны в слое гидроксила равна 4.8 К, а в слое молекулярного кислорода - 7 К. Фаза волны втемпературе О2 опережает фазу волны в температуре ОН примерно на 1 час.12 На рисунке 6 приведен пример подгонки полусуточной вариации вращательнойтемпературе.
В эту ночь 13 января 2005 года длительность наблюдений составляла около11 часов. Известно, что зимний период на высоких широтах мезопауза расположена навысоте около 100 км и, следовательно, температура на высоте излучения О2 (~95 км)должна быть ниже, чем на высоте слоя ОН (~87 км). На рисунке 6 видно, как и ожидалосьв среднем вращательная температура О2 ниже, чем температура ОН. Амплитудаполусуточного прилива в полосе гидроксила равна 4.8 К, а в полосе молекулярногокислорода 7 К. Фаза волны в температуре О2 опережает фазу волны в температуре ОНпримерно на 1 час, что соответствует перемещению фазового возмущения сверху вниз. Вобеих эмиссиях ошибки оценки амплитуды составляли примерно 1 К и ошибки оценкифазы ~ 0.5 часа.
Рост амплитуды волны с высотой и направленная вниз фазоваяпрогрессия позволяет интерпретировать ее как полусуточный прилив, источник которогонаходится в нижних слоях атмосферы.Для исследования сезонного хода полусуточного прилива в течение зимы,найденные амплитуды и фазы были отобраны по месяцам. Были оценены среднемесячныезначения амплитуды и фазы полусуточной волны в обеих эмиссиях. Погрешностьизмерения в каждом месяце была принята равной среднеквадратичному отклонениюоценки среднего.
На рисунке 7 приведены амплитуды 12-часовых вариаций вовращательных температурах гидроксила и молекулярного кислорода. Амплитуда волнына высоте излучения молекулярного кислорода (~95 км) больше 2 К, чем на высотесвечения гидроксила (~87 км), и равна 8 К. Фазы прилива в обеих эмиссиях приведены нарисунке 8. За исключением ноября 12-часовое колебание на высоте возбуждениямолекулярного кислорода опережает по фазе колебание на высоте возбуждениягидроксила. В среднем фаза на высоте свечения ОН равна ~5.7 часам, а на высоте О2составляет около 6.4 часа. Т, К14Часы12121010886644Амплитуда прилива в ТОН2Фаза прилива в ТОН2Фаза прилива в ТО2Амплитуда прилива в ТО200октябрьноябрь декабрьянварь февральоктябрьмартРисунок7.Среднемесячныеамплитудыполусуточногоприливавовращательнойтемпературе ОН(6,2) (сплошные кружки) и О2(0-1)(открытые кружки).
Средняя амплитуда на высотесвечения ОН (87 км) равна примерно 6 К, а навысоте О2 (95 км) – 8 К. ноябрьдекабрьянварь февральмартРисунок 8. Среднемесячные фазы полусуточногоприлива во вращательной температуре ОН(6,2)(сплошные кружки) и О2(0-1) (открытые кружки).Фаза указана в часах местного солнечного времени. Сравнение с результатами измерений других исследователей (например, сезонныеизменения приливных колебаний в температуре мезопаузы были исследованыпосредством лидарного зондирования на среднеширотной станции Форт Коллинз (40.6° N,105° W) [12]) показывает, что сезонное поведение прилива имеет схожий вид. Амплитудаприлива над Маймагой с октября по март почти стабильна на высоте излучения ОН (~8713 км).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
