Диссертация (1149451), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рассмотрены механизмывозбуждения колебательно-вращательных полос молекул гидроксила ипервой атмосферной полосы кислорода в области мезопаузы. Представленкраткийобзоргравитационныхсовременныхволн.Такжеработдаетсяпоисследованиямкраткоеописаниевнутреннихмеханизмаобразования и поведения солнечных приливов.Во второй главе дается описание комплекса оптических приборов,состоящий из камеры всего неба, инфракрасного цифрового спектрографаСП-50 и автоматизированного инфракрасного спектрографа Shamrock. Такжесделано научно-методическое обоснование и описаны принципы созданиямеридиональной сети оптических станций.В третьей главе представлены результаты исследования параметроввнутренних гравитационных волн, зарегистрированных по вариацияммолекулы гидроксила, при помощи инфракрасной камеры всего неба.Подробно описана методика обработки и анализа изображений оптического9 прибора. Проведено сравнение полученных результатов с аналогичнымиисследованиями, проведенными на средних и низких широтах.В четвёртой главе приводятся результаты исследования полусуточныхсолнечных термических приливов, параметры которых получены пофлуктуациям вращательных температур молекулярных эмиссий гидроксилаОН(6,2) и первой атмосферной полосы кислорода О2 (0-1), возбуждающихсяпримерно на 87 и 94 км соответственно.
Вращательные температурымолекулярных эмиссий гидроксила и кислорода получены при помощиинфракрасного дифракционного спектрографа СП-50. Также подробноописанаметодикаопределениявращательнойтемпературыпоспектрографическим данным.Взаключениисформулированыдиссертационной работы.10 основныерезультатыГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МЕЗОПАУЗЫПограничный слой между мезосферой и термосферой называетсяобластью мезопаузы. Она занимает в атмосфере Земли высоты примерно 80 –100 км над уровнем моря. Известно, что в мезопаузе находитсятемпературный минимум: снизу-вверх (начиная от высоты ~50 км)температура падает с высотой, выше (до высот ~400 км) снова растет.Первые сведения о существовании мезопаузы были получены поизучению поведения следов метеоров, которые сгорают в верхней атмосферена этих высотах, по так называемому метеорному методу [Астапович, 1958;Хвостиков, 1964].
Как было установлено по лидарным измерениям, самаграница мезопаузы меняет высоту в зависимости от времени года [She, vonZahn, 1998; Gerding et al., 2008], чтоподтверждается численныммоделированием [Roble, Dickinson, 1989]. Измерения вертикального профилятемпературы атмосферы показали, что существует два различных уровнямезопаузы, зимний (около 100 км) и летний (около 84 км). Причиной такихсезонных колебаний является адиабатический нагрев и охлаждение,связанное с крупномасштабной меридиональной циркуляцией.Область мезопаузы также известна тем, что она совпадает с нижнейграницей области активного поглощения рентгеновского и наиболеекоротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, то есть являетсяхимически наиболее активной областью верхней атмосферы [Брасье,Соломон, 1987].
Результатом многочисленных фотохимических процессовявляется собственное излучение атмосферы, которое существует как в11 дневное, так и в ночное время. Излучение атмосферы состоит из многихэмиссий, которые в силу своей природы высвечиваются на определенныхвысотных слоях. Например, слой озона с максимумом на высоте ~ 90 км столщиной ~ 22 км, слои натрия – 92 и 100 км, железа (у которого высотапостоянно меняется, толщина 2-3 км) [Шефов и др., 2006], возбужденногогидроксила (87 км с толщиной 8 км) [Baker and Stair, 1988], возбужденногоатомарного кислорода (94 и 9 км) и другие [Burrage et al., 1994; Yee et al.,1997].
Также в области мезопаузы образуются серебристые облака, имеющиетолщину всего в несколько километров.Достаточно тонкие слои малых составляющих области мезопаузыможно исследовать различными методами. Одним из дешевых и доступныхметодов, дающих возможность слежения за климатическими изменениямиверхней атмосферы, является оптическое измерение. Эмиссии свеченияночного неба, такие как эмиссии гидроксильного излучения и молекулярногокислорода в ближней инфракрасной области спектра, можно регистрироватьдифракционными инфракрасными спектрографами.
Гидроксильная эмиссия,благодаря своей богатой структуре вращательно-колебательных полос,служит своеобразным термометром области мезопаузы. Более подробно обобразовании эмиссий молекулярных полос гидроксила и кислорода можнонайти в разделе 1.3.Измерениятемпературымезопаузы,используядифракционныеспектрографы, ведутся многие десятки лет в разных странах. В ИКФИА СОРАН такие наблюдения ведутся с 1960-х годов. Накопленные за последние 20лет данные инфракрасного спектрографа отвечают всем требованиям,предъявляемым для исследования физических процессов, происходящих вмезопаузе.
Главным положительным фактором, преимуществом являетсяоднородность данных и использование одних и тех же параметров в ихобработке.В настоящее время существуют различные международные проектыпо исследованию области мезопаузы, где большое внимание уделяется12 измерениютемпературымезопаузы.Данныенашегоинфракрасногодифракционного спектрографа СП-50 с 2006 года входят в международнуюпрограмму NDMC (Network for the Detection of Mesopause Change).1.1.Исследование внутренних гравитационных волн в областимезопаузыВнутренние гравитационные волны (ВГВ – англ.
Internal GravityWaves) в разных литературных источниках называют по-разному –гравитационные волны или часто просто гравитационные волны, по-другомуволны плавучести. Термин «внутренние» изначально было связано с тем, чтоволна распространяется не только по горизонтали, но и по вертикали. ВГВсравнительно легко проникают в верхнюю атмосферу, что является главнымотличием их от звуковых волн. Для того чтобы ВГВ распространялисьвертикально их периоды должны быть больше некоего минимума, такназываемого периода Брента–Вяйсяля (τg), которое определяется по формуле[Hines, 1974] и меньше чем π, деленное на угловую скорость вращенияЗемли:τ g 2π γ k TγH 2π , 2(γ 1) g(γ 1) M mH g где τg на высотах высокоширотной области мезопаузы примерно равна ~ 2-3мин. γ CpCv 1.4 – отношение теплоемкостей, k – постоянная Больцмана, Т –температура, М – молекулярная масса, mH – масса атома водорода, g –ускорение свободного падения, H – высота однородной атмосферы.ИсточникамиметеорологическиеВГВ,икакправило,турбулентныепроцессыявляются(холодныеразличныефронты,тропические циклоны, цунами, морские волны, землетрясения, ветры в горах,струйные течения и т.д.).13 Кроме того, ВГВ являются основными переносчиками энергии,импульса из нижней атмосферы в мезосферу и термосферу. Общеизвестно,чтоуВГВприраспространенииснизу-вверхамплитуда растет с высотой по мере уменьшения плотности атмосферы.
Навысотах области мезопаузы волны достигают максимальных амплитуд иначинают разрушаться. Передача энергии и импульса происходит именнопри диссипации волн, другими словами, когда волновые процессы затухаюти исчезают. Энергия волны переходит на тепловое движение молекул.Расчёты потоков энергии, переносимых ВГВ, оказались сопоставимы спотокамикоротковолновогосолнечногоизлучения[Гаврилов,1974;Чунчузов, 1978; Vincent, 1984; Gavrilov, 1992] и составили вблизи мезопаузы~10 эргсм–2с–1 [Hines, 1968; Reid, 1989, Гаврилов, 1974], а на высокихширотах она может достигать 29 эргсм–2с–1.
[Reid, 1989; Gavrilov, 1985]. Вразных работах влияние ВГВ на термический режим верхних слоеватмосферы описывают по-разному. В одних работах говорится, что этоприводит к разогреву [Швед, 1977; Кутепов, Швед, 1978; Чунчузов, 1978;Калов, Гаврилов, 1985; Reid, 1989], других же, что происходит при этомвыхолаживание [Johnson, 1975; Изаков, 1978].Передача импульса приводит к ускорению среднего потока (течения).В высоких широтах в зимнее время этот поток обычно направлен на восток.Поэтому в большинстве случаев распространение ВГВ должно бытьнаправлено на запад.Существуют численные модели распространения ВГВ [Бидлингаймер,Погорельцев 1992], где были сделаны численные расчеты вертикальнойструктуры ВГВ в безветренной атмосфере. Различные более новые моделиучитывают скорость ветра, орографию и диссипацию [Погорельцев, Перцев,1995; Гаврилов и Коваль, 2013].ИсследованияВГВ.Впервыеволновыеколебаниявверхнейатмосфере были зарегистрированы по наблюдениям серебристых облаков.14 Но конечные доказательства, что это следы от прохождения ВГВ, былипредоставлены только к началу 60-х годов, когда ВГВ экспериментальнобыли выявлены при испытаниях мощных атомных и термоядерных зарядовпо сильным возмущениям в верхней атмосфере.Эволюцию методики обнаружения ВГВ можно примерно описатьследующим образом.
Сначала по серебристым облакам регистрировали оченьмедленные и короткопериодные ВГВ [Бронштен, Гришин, 1970; Фогл, 1975].Потом ВГВ находили в фотографиях эмиссионных полей верхней атмосферы[Moreels, Herse, 1977; Hapgood, Taylor, 1982]. При прохождении ВГВ черезизлучающий слой гидроксила регистрировались вариации интенсивностиэмиссии и температуры среды [Красовский и др., 1978; Красовский, Шефов,1976; Шагаев, 1974; Noxon, 1978]. ВГВ с периодамискоростями,превышающими100м/с,больше 100 км иисследовалисьприпомощирадиофизических методов исследования [Vasseur et al., 1972; Bertin et al.,1978]. В последнее время фотографирование всего неба чувствительнымиПЗС-камерами с широкополосными фильтрами, пропускающими ближниеинфракрасные полосы гидроксила, позволяет регистрировать ВГВ с большимпространственным и временным разрешением [Shiokawa et al., 1999,Nakamura et al., 1999; Walterscheid et al., 1999; Gavrilyeva, Ammosov, 2002;Medeiros et al., 2003; Suzuki et al., 2009; Li et al., 2011; Matsuda et al., 2014].При помощи снимков из космоса или камер всего неба находят такназываемые концентрические ВГВ.
Они обычно наблюдаются в слояхгидроксила, кислорода и серебристых облаков и могут достигать большихрадиусов(~200-300км)[Suzukietal.,2007;Yueetal.,2014;http://spaceweathergallery.com/indiv_upload.php?upload_id=129854].По результатам наблюдений короткопериодные ВГВ разделяют на 2типа: полосы (bands иногда их называют crests) и ряби (гребешки, ripples илиbillows).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
