Изменчивость мезомасштабных волн в средней атмосфере по данным оптических измерений
Метод цифровых разностных фильтров 3.1 применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры и интенсивности ночного свечения гидроксила на высотах 85 – 90 км прибором SATI в Алматы, Казахстан (43˚03’с.ш., 76˚58’в.д.) в 2010 – 2017 гг, спектральных наблюдений на Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (52° с.ш., 103° в.д.) в 2012 – 2017 гг и Звенигородской научной станцией (55°69’ с.ш., 36°77’ в.д.) в 2004 – 2016 гг. Исследованы сезонные и междугодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций в области периодов 0.4 – 5.4 ч., которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы. Для выделения вариаций с часовыми периодами использована численная фильтрация путем вычисления разностей между последовательными среднечасовыми значениями характеристик ночного свечения ОН.
Важнейшим свойством атмосферных гидродинамических волн является то, что при распространении из нижних слоев в более высокие слои, они переносят энергию и импульс. Диссипируя на высотах средней атмосферы и термосферы, эти волны передают энергию и импульс среде, воздействуя, таким образом, на тепловой баланс и среднезональную циркуляцию. Турбулентность, тесно взаимодействуя с атмосферными волнами, рождает вертикальные тепловые и диффузионные потоки.
Изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы Земли и взаимодействия самих слоев и оболочек Земли, является одной из важнейших фундаментальных задач геофизики. Последние годы и десятилетия характеризуются мощным развитием аэрокосмических и наземных систем наблюдения за состоянием и динамикой атмосферы на различных высотах. Идет накопление новых данных измерений, требующих дальнейшего осмысления, обработки и интерпретации. На основе имеющегося материала измерений разрабатываются глобальные эмпирические и полуэмпирические модели атмосферных характеристик, учитывающие временную и пространственную изменчивость метеорологических полей.
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней и верхней атмосфере. Их источники находятся, в основном, в нижних слоях атмосферы. Распространяясь вверх, ВГВ способны переносить энергию и импульс в среднюю и верхнюю атмосферу, оказывая таким образом влияние на термодинамические процессы на всех высотах атмосферы. Измерение интенсивности и вращательной температуры свечений ночного неба является одним из способов мониторинга термодинамического режима и состава верхней атмосферы.
Распространяясь через слой ночной эмиссии верхней атмосферы, ВГВ модулируют температуру и интенсивность излучения [Шефов и др., 2006]. Когерентные волнообразные структуры были обнаружены в слоях излучения OH, Na, О и O2 в интервале высоты 80-100 км [Krassovski, 1972; Красовский и др., 1978; Гаврилов и Швед, 1982; Taylor et al., 1987]. В работе [Swenson, Mende, 1994] наблюдались квазимонохроматические ВГВ и процессы разрушения волн с последующим образованием вихревых структур в слое ночного свечения ОН. Исследования [Taylor, Hapgood, 1990; Vadas et al., 2009] в слое свечения ОН обнаружили волновые структуры с горизонтальными длинами волны 5 – l60 км. Исследование в Японии [Nakamura et al., 1999] выявили типичные параметры ВГВ в слое свечения ОН: горизонтальные длины 5 – 60 км, периоды 5 – 30 мин., горизонтальные фазовые скорости 0-100 m/s.
В ряде работ исследовались долговременные изменения интенсивности ВГВ в верхней атмосфере. В исследовании [Gavrilov et al., 2002b] сделан статистический анализ средне- и крупномасштабных ВГВ с периодами 0.5 – 5 ч и длинами волны 100-1700 км в слоях излучения OH и О2 с 1998 по 2001 гг. Исследовалась междугодовая и сезонная изменчивость температуры области мезопаузы по данным спектральных наблюдений гидроксильного излучения в Звенигороде и Иркутске в 2000 – 2010 гг. [Перминов и др., 2014]. В работах [Медведева и др., 2011; Перцев и др., 2013] изучена изменчивость характеристик области мезопаузы во время внезапных стратосферных потеплений. Исследования последних лет выявляют наличие многолетних изменений характеристик верхней атмосферы [Lastovichka, 2017].
В исследовании [Гаврильева и др., 2009] анализировались изменения интенсивности и вращательной температуры ночной эмиссии ОН под действием атмосферных приливов. Сомсиков и др. [2015] исследовали средние характеристики ВГВ в слое свечения ОН в Алматы за 2010 – 2015 гг. Они определили, что основной вклад в мезомасштабные вариации слоя свечения ОН вносят ВГВ с горизонтальными длинами 100 – 900 км. Аналогичные значения горизонтальных длин ВГВ были получены ранее при анализе данных наблюдений эмиссий ОН и О2 с помощью SATI в Шигараки, Япония [Gavrilov et al., 2002b]. Исследование вариаций ночного свечения O2 прибором MORTI в Алматы дало даже большие горизонтальные длины ВГВ до нескольких тысяч километров [Aushev et al., 2000].
В работе [Gavrilov et al., 2001] были применены простые разностные фильтры и проанализированы сезонные и междугодовые изменения интенсивности ВГВ на высотах 80 – 100 км по наблюдениям дрейфов метеорных следов и ионосферных неоднородностей. Этот метод оказался эффективным для анализа многолетних изменеий интенсивности ВГВ в верхней атмосфере [Gavrilov et al., 1995, 2002a].
Для выполнения данной квалификационной работы была сформулирована следующая задача: анализ изменчивости внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней атмосфере на основе оптических измерений.
В данной работе метод цифровых разностных фильтров применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры ночного свечения гидроксила на высотах 85 – 90 км в Алматы, Казахстан, в 2010 – 2017 гг. Исследуются сезонные и междугодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций с периодами 0.4 – 5 час, которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы.
Аналогичным методом были проанализированы спектрографические измерения эмиссии гидроксила на Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН(52° с.ш., 103° в.д.) в 2012 – 2017 гг и Звенигородской научной станции ИФА РАН (56° с.ш., 37° в.д.) в 2004 – 2017 гг.
Используемая литература.
• Гаврилов Н.М. Тепловой эффект внутренних гравитационных волн в верхней атмосфере // Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10, №1. С. 83-84
• Гаврилов Н.М., Швед Г.М. Исследование внутренних гравитационных волн в нижней термосфере по изофотам свечения ночного неба // Изв. АН СССР, физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. № 1. с. 8 – 17.
• Гаврилов Н.М., Юдин В.А. О природе волновых вариаций ночного свечения гидроксила в верхней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1982. Т. 22. № 3. С 444 – 449.
• Гаврильева Г.А., Аммосов П.П. Наблюдения распространения гравитационных волн в инфракрасном свечении всего неба // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41, № 3. С. 375-381
• Гаврильева Г.А., Аммосов П.П., Колтовской И.И. Полусуточный термический прилив в области мезопаузы над Якутией // Геомагн. аэрономия. 2009. Т. 49. N 1. С. 117–122.
• Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы / Под ред. В.А. Бугаева. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. C. 252
• Госсард Э.Э., Хук У.Х. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978, 532 с.
• Красовский В.И., Потапов Б.П., Семенов А.И., Соболев В.Г., Шагаев М.М., Шефов Н.Н. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы. 1. Результаты исследований гидроксильной эмиссии // Полярные сияния и свечение ночного неба / Под ред. Ю.И. Гальперина. М.: Сов. Радио, 1978. № 26. С. 5-29.
• Медведева И.В., Белецкий А.Б., Перминов В.И., и др. Вариации температуры атмосферы на высотах мезопаузы и нижней термосферы в периодах стратосферных потеплений по данным наземных и спутниковых измерениях в различных долготных секторах // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 127-135.
• Перминов В.И., Семенов А.И., Медведева И.В., и др. Изменчивость температуры в области мезопаузы по наблюдениям гидроксильного излучения на средних широтах // Геомагнетизм и Аэрономия. 2014. Т. 54. № 2. С. 246-256.
• Перминов В.И., Семенов А.И., Шефов Н.Н. О вращательной температуре гидроксильной эмиссии // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47. № 6. С. 798-805
• Перминов В.И., Семенов А.И., Шефов Н.Н., Дезактивация колебательных состояний молекул гидроксила атомарным и молекулярным кислородом в области мезопаузы // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38, № 6. С. 100-105
• Перцев Н.Н., Андреев А.Б., Мерзляков Е.Г., и др. Мезосферно-термосферные проявления стратосферныз потеплений: совместное использование спутниковых и наземных измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 1. С. 93-100.
• Сомсиков В.М., Андреев А.Б., Жумабаев Б.Т. Особенности сезонного поведения волновых возмущений мезосферы по данным SATI и по спутниковым наблюдениям. // Изв. нац. акад. наук Респ. Казахстан, сер. физико-математическая. 2015. Т. 4, № 302. С. 33-39.
• Чунчунзов Е.П. Об энергетических характеристиках внутренних гравитационных волн, наблюдаемых по гидроксильной эмиссии мезопаузы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т.14, № 10. С. 1094-1097
• Шефов Н.Н. Об определении вращательной температуры полос ОН // Спектральные, электрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний свечения ночного неба / Под ред. В.И. Красовского. М.: Изд-во АН СССР, 1961. № 5. С. 5-9.
• Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы– индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС. 2006. 741 с.
• Шефов Н.Н., Семенов А.И., Юрченко О.Т. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 630 нм в ночное время. 1. Интенсивность // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 2. С. 250-260
• Hines C.O. A possible source of waves in noctilucent clouds // J. Atmos. Sci. 1968. Vol. 25, N 5. P. 937-942
• Hines C.O. The upper atmosphere in motion. Worcester, Massachusetts: Heffernan Press, 1974. P. 1024
• Vincent R.A. Gravity wave motions in the mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1984. Vol. 46, N 2. P. 119-128
• Gavrilov N.M. Internal gravity waves in the mesopause region: hydrodynamical sources and climatological patterns // Adv. Space Res. 1992. Vol. 12, N 10. P. 113-121
• Dickinson R.E. Planetary waves and large-scale disturbances in the stratosphere and mesosphere // Meteorological and chemical factors in D – region aeronomy – record of the third aeronomy conference (USA, Illisinois, September 23-26, 1968) // ed. C.F. Sechrist. Urbana: Univ. Illinois, 1969. P. 80-87
• Холтон Дж. Р. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. C. 224
• Ammosov P., Gavrilyeva G., Ammosova A., Koltovskoi I. Response of the mesopause temperatures to solar activity over Yakutia in 1999–2013, Adv. Space Res. 2014. V. 54. P. 2518–2524. doi:10.1016/j.asr.2014.06.007.
• Aushev V.M., Pogoreltsev A.I., Vodyannikov V.V., et al. Results of the airglow and temperature observations by MORTI at the Almaty site (43.05N, 76.97E), Phys. Chem. Earth. (Part B), 2000. V. 25, N 5-6, P. 409-415.
• Gavrilov N.M., Jacobi Ch., Kurschner D. Climatology of ionospheric drift perturbations at Collm, Germany // Adv. Space Res. 2001. V. 27. N 10. P. 1779-1784.
• Gavrilov N.M., Fukao S., Nakamura T., et al. Comparative study of interannual changes of the mean winds and gravity wave activity in the middle atmosphere over Japan, Central Europe and Canada // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2002a. V. 64 P. 1003 –1010.
• Gavrilov N.M., Shiokawa K., Ogawa T. Seasonal variations of medium-scale gravity wave parameters in the lower thermosphere obtained from SATI observations at Shigaraki, Japan // J. Geophys. Res. 2002b. V. 107. N D24. P. 4755.
• Gavrilov, N.M., Riggin D.M., Fritts D.C. Medium-frequency radar studies of gravity-wave seasonal variations over Hawaii (22°N, 160°W) // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. N D20, P. 4655, doi:10.1029/2002JD003131, 2003.
• Krassovski V.I. Infrasonic variations of OH emission in the upper atmosphere // Annales de Géophysique. 1972.V.28.P.739-746.
• Lastovichka J. A review of recent progress in trends in the upper atmosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2017.V. 163. P. 2–13.
• Lopez-Gonzalez M.J., Rodrıguez E., Wiens R.H., et al. Seasonal variations of O2 atmospheric and OH(6–2) airglow and temperature at mid-latitudes from SATI observations // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2007. V. 69. P. 2379–2390.
• Meinel A.B. The near-infared spectrum of the night sky and aurorae // Publ. Astron. Soc. Pac. 1948. Vol. 60, N 337. P . 373-378
• Nakamura T., Higashikawa A., Tsuda T., et al. Seasonal variations of gravity wave structures in OH airglow with a CCD imager at Shigaraki // Earth Planets Space. 1999. V. 51. P. 897–906.
• Pertsev N. N., Perminov V. I., Lowe R. P. , DeSerranno R., Effect of Vertical Motion of the hydroxyl Nightglow Layer on the observed variation of rotational temperature. Intern. J.Geomag. Aeron. 1999. V.1. N.3, P. 259-265
• Shefov N.N. Hydroxyl emission of the upper atmosphere – I. // Planet. Space Sci. 1969. V. 17. P. 797 – 813.
• Swenson G.R., Mende S.B. OH emission and gravity waves (including a breaking wave) in all-sky imagery from Bear Lake, UT // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. N 20. P. 2239-2242.
• Taylor M.J., Hapgood M.A., Rothwell P. Observations of gravity wave propagation in the OI (557.7 nm), Na (589.2 nm) and the near infrared OH nightglow emissions // Planet. Space Sci. 1987. V. 35. N 4. P. 413-427.
• Taylor, M.J., Hapgood M.A. On the origin of ripple-type wave structure in the OH nightglow emission // Planet. Space Sci. 1990. V. 38. N. 11. P. 1421-1430.
• Vadas S.L., Taylor M.J., Pautet P.-D., et al. Convection: the likely source of the medium-scale gravity waves observed in the OH airglow layer near Brasilia, Brazil, during the SpreadFEx campaign // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 231-259.
• Wiens R.H., Moise A., Brown S., et al. SATI: A spectral airglow temperature imager // Adv. Space Res., 1997. V. 19, P. 677–680, 1997a.
Читать «Изменчивость мезомасштабных волн в средней атмосфере по данным оптических измерений»
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (44 отзыва)
5 (428 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
5 (20 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (343 отзыва)
5 (18 отзывов)
