Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Фотометрические исследования орографического эффекта в верхней атмосфере по ее собственному излучению

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Суходоев, Владимир Алексеевич, Москва

00

Российская АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ им. А. М. Обухова

УДК 550.388.8; 551.521.326 На нравах рукописи

/

СУХОДОЕВ Владимир Алексеевич

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРОГРАФИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ ПО ЕЕ СОБСТВЕННОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ

(04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

А. И. Семенов

Москва. 1999

___[|м|| ................................. шмргпттттш—птлгчтигш—nu-.н 111" »i чишчч шш'шнмщ ин i »1 — imt «»тттптаттш n n i и i' 'Гит • -.....гтт г-

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................................4

Глава 1. Пространственно-временные неоднородности параметров

собственного излучения атмосферы в области мезопаузы...................8

1.1. Введение...............:..............................................................................8

1.2. Современное состояние представлений об орографических эффектах в верхней атмосфере.......................................................10

1.3. Неоднородности атмосферного излучения.....................................17

1.4. Параметры излучающего слоя гидроксйла вблизи мезопаузы......20

Глава 2. Аппаратура и методика иссле/ддвщщй,.................................................28

2.1. Общие требования к способу, измерений........................................28

2.2. Фотометрические приборы...............................................................31

2.2.1. Одноканальный сканирующий фотометр....................................32

2.2.2. Двухканальный сканирующий фотометр.....................................40

2.2.3. Восьмиканальный фотометр.........................................................48

2.2.3.1. Функциональная блок-схема установки....................................50

2.2.3.2. Оптическая часть фотометра.....................................................52

2.2.3.3. Блок фотоумножителей..............................................................56

2.2.3.4. Дискриминация и усиление сигнала..........................................57

2.2.3.5. Источники питания фотоумножителей.....................................59

2.2.3.6. Система управления затвором фотометра.................................59

2.2.3.7. Ориентация оптических осей фотометров.................................61

2.2.3.8. Блок регистрации........................................................................61

2.3. Условия проведения наблюдений....................................................62

2.4. Калибровка аппаратуры и погрешности измерений.......................80

Глава 3. Обработка данных измерений............................................................108

3.1. Методика вычислений характеристик гидроксилъного излучения по данным измерений........................................................................108

3.2. Первичная обработка материала....................................................116

3.3. Определение пространственных вариаций гидроксильного излучения.......................................................................................118

3.4. Вычисление параметров волновых процессов, сопутствующих наблюдениям орографических возмущений.................................128

Глава 4. Результаты наблюдений и их интерпретация....................................134

4.1. Характеристика метеорологической ситуации............................135

«

4.2. Пространственное распределение характеристик орографического возмущения в мезопаузе вблизи Кавказского хребта..................138

4.3. Сопоставление характеристик орографических возмущений с условиями ветрового режима в нижней атмосфере.....................150

4.4. Спектральный состав волновых возмущений...............................159

4.5. Пространственное и высотное распределение источников генерации ВГВ орографического происхождения......................................... 167

4.6. Оценка притока энергии ВГВ в мезопаузу над подветренной областью гор..................................................................................172

Заключение........................................................................................................193

Список литературы............................................................................................195

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. Активные исследования распространения внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере Земли в течение последних 10-15 лет показали их значительное влияние на многочисленные динамические процессы вплоть до высот ¥2 области ионосферы, обусловленное переносом ими энергии и импульса из нижних слоев атмосферы в верхние. Источники генерации ВГВ, как правило, ассоциируются как с активными метеорологическими образованиями в тропосфере, так и с процессами обтекания воздушными потоками препятствий, локализованных на поверхности Земли. Однако детальные энергетические характеристики условий генерации остаются пока не выясненными, и это сдерживает развитие методов расчета и прогноза ожидаемого воздействия на верхнюю атмосферу приходящих снизу ВГВ. Горные хребты, как один из типов препятствий для воздушных потоков в тропосфере, могут быть использованы в качестве удобного средства для изучения условий генерации ВГВ. Эти волны вызывают модуляцию характеристик собственного излучения верхней атмосферы при прохождении их через излучающий слой и создают орографически обусловленные возмущения в температурном режиме атмосферы на ее различных высотных уровнях. Это и определяет актуальность оптических исследований условий распространения ВГВ, поиска источников их генерации и условий возникновения волн при взаимодействии потоков ветра с подстилающим рельефом. Целью работы является фотометрическое исследование характеристик гидроксильного излучения мезопаузы для выявления орографического эффекта в ее температурном режиме, а также в параметрах ВГВ в верхней атмосфере над подветренной областью гор и на основе этих данных проведение анализа условий генерации ВГВ при взаимодействии воздушных потоков с горными образованиями.

Для решения поставленной задачи было необходимо;

1. Разработать спектрофотометрическую методику получения картины пространственно-временного распределения по небу (а именно, вдоль излучающего слоя на высоте 87 км) температуры и интенсивности гидро-ксильного излучения.

2. Разработать и изготовить комплекс фотометров с интерференционными светофильтрами: восьмиканальный и дискретно сканирующие вдоль вертикала одно- и двухканальные фотометры.

3. Провести регулярные ночные измерения характеристик излучения ОН в течение нескольких лет для получения необходимого массива данных, охватывающих различные геофизические и метеорологические ситуации.

4. Провести фотометрическую и спектральную обработку накопленного материала, его статистический анализ.

5. Провести расчет пространственного распределения вертикального потока энергии ВГВ в области мезопаузы и выявить условия наилучшего соответствия между данными расчета и измерений.

Научная новизна работы состоит в том, что

1. Впервые проведены целенаправленные фотометрические измерения пространственно-временных характеристик гидроксильного излучения с целью изучения ВГВ в области Кавказских гор.

2. Впервые исследовано поведение термического эффекта и характеристик ВГВ в подветренной области гор на высотах около 87 км в зависимости от скорости и направления ветра в тропосфере на различных барических уровнях.

3. Показано, что регистрируемые волновые колебания характеристик излучения ОН в подветренной области гор обусловлены внутренними гравитационными волнами.

4. Показано, что предполагаемые источники ВГВ связаны с рельефом гор.

5. Показано, что орографический эффект в мезопаузе, наблюдаемый в подветренной области гор, обусловлен притоком энергии внутренних гравитационных волн, возникающих над горным рельефом.

6. Обнаружено, что в подветренной области мезоиаузы происходит уменьшение высоты излучающего слоя ОН.

7. На основе расчета пространственного распределения притока энергии за счет ВГВ и их сравнения с результатами измерений показано, что при генерации ВГВ имеют место анизотропные флуктуации направлений локального ветра и порьюов ветра, генерирующих ВГВ.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы при разработке и уточнении теории процессов генерации ВГВ при обтекании неоднородностей рельефа гор. На защиту выносится:

1. Разработка и создание комплекса фотометрической аппаратуры для измерений параметров излучения молекулы ОН, позволяющего исследовать пространственно-временное распределение характеристик орографического эффекта в подветренной области гор.

2. Разработка и реализация метода измерений характеристик волновых процессов, сопутствующих орографическим возмущениям.

3. Результаты измерений характеристик ВГВ, возникающих при взаимодействии воздушных потоков с горным рельефом.

4. Метод вычислительной обработки накопленного материала.

5. Результаты анализа полученных геофизических данных о параметрах орографического эффекта и ВГВ в подветренной области гор.

Личный вклад автора состоит в том, что он принимал активное и непосредственное участие в разработке, создании и наладке аппаратуры и проведении измерений. Им лично разработана методика и программа фотометрической и спектральной обработки материала на ЭВМ и проведена необходимая обработка всего полученного материала. Автор принимал

непосредственное участие в геофизическом анализе и интерпретации полученных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в 24 статьях и докладывались: на IV Всесоюзном совещании по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (1982 г., Обнинск); на международном симпозиуме "Наземные исследования средней атмосферы" (1983 г., Шверин, ГДР); на IV международном симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (1984 г., Сочи); на V Всесоюзном совещании по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (1985 г., Обнинск); на II Всесоюзном совещании по исследованиям средней атмосферы, МАП (1986 г., Звенигород); на XVII Всесоюзном совещании по полярным сияниям и свечению ночного неба (1987 г., Апатиты); на Секции "Атмосферная акустика" (1988 г., Мурманск); на XVIII Всесоюзном совещании по полярным сияниям и свечению ночного неба (1989 г., Абастумани); на II международном симпозиуме по исследованиям средней атмосферы, МАП (1989 г., Душанбе); на международном симпозиуме "Оптические эмиссии средней и верхней атмосферы. Метеорологические и солнечно-геофизические эффекты" (1989 г., Стара Загора, Болгария); на Всесоюзном симпозиуме по переносу примесей в верхней атмосфере (1990 г., Обнинск); на II Всесоюзной школе по физике ионосферы (1990 г., Фрунзе); на международных симпозиумах по проекту ВУАИА (1991 г. Вупперталь, Германия) и (1991 г., Москва); на симпозиуме Американского Геофизического Союза "Динамика и энергетика мезопаузы по исследованиям ее собственного излучения" (1992 г., Монреаль, Канада); "Вторая национальная конференция по солнечно-земным связям" (1995 г., Стара Загора, Болгария); на XX Апатитском семинаре "Физика авроральных явлений" (1997 г., Апатиты), на XXI Апатитском семинаре "Физика авроральных явлений" (1998 г., Апатиты), на семинарах и Ученых советах ИФА РАН.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (182 наименование). Она содержит 114 страниц машинописного текста, 83 рисунка, 14 таблиц.

|Г|_________„ ■ МЦГ1МШ|[|_- —----1Я1-—.....* 1-----ТТГ11 II I-----И Т|||11П1ПГГГК|Г III11 [ 'У п' IШ 'П111У Тм1Г '»>ШГ "ТГГНИ 1ЧИНИИГЛП........................................................' ......... ГГ1ГГ • ППМ^ППи'Ц-ГЧ 'ГГ'* ' П |УГ Т |Г'Г ' - - ■ • - • --г

8

ГЛАВА 1. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМОЙ ОБЛАСТИ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ.

1.1. Верхняя атмосфера как индикатор глобальных атмосферных процессов.

За последние десятилетия исследований различных процессов в земной

атмосфере стало очевидно, что верхняя атмосфера, т.е. область высот выше

*

80 км, достаточно чутко реагирует как на воздействие солнечного ультрафиолетового и корпускулярного излучений и состояние межпланетной среды, так и отображает в своем динамическом поведении события, происходящие в средней и нижней атмосфере (например, метеоактивные явления ~ циклоны, стратосферные потепления, извержения вулканов и т.п.). Все компоненты ме-зопаузы, нижней термосферы, т.е. ее ионизованные и нейтральные составляющие испытывают активное воздействие приземных метеорологических процессов, порождающих волновые возмущения. Распространение волн в более разреженные верхние слои атмосферы сопровождается увеличением их амплитуды, в результате чего вариации температуры, давления и т.д. становятся существенными на высотах мезопаузы и нижней термосферы Вследствие этого создаются динамические возмущения верхней атмосферы, отображающие эффект возникновения и распространения внутренних гравитационных вон (ВГВ), а также приток дополнительной энергии, увеличивающий скорость перемешивания в области нижней термосферы, что в свою очередь усиливает процессы рекомбинации диссоциированных молекул.

На рассматриваемых высотах индикаторами процессов рекомбинации являются различные эмиссии атомов и молекул. Доступность наблюдения йх с поверхности Земли в ночное время позволяет получать весьма разнообразную информацию о пространственно-временном поведении характеристик этих эмиссий. Все это и обусловливает щггерес к таким методам исследований, которые дают возможность без воздействия на изучаемую среду прослеживать разнообразные вариации температуры среды, скоростей фо гохимиче-

ских процессов и ряда их детальных особенностей, выяснение которых невозможно другими методами. Результаты таких фотометрических исследований рассматриваются в дальнейших разделах.

1.2. Современное состояние предст авлений об орографических эффектах в верхней атмосфере.

О первых свидетельствах распространения волн в верхней атмосфере указывали данные наблюдений серебристых облаков в конце прошлого века [1, 2]. Однако, на протяжении более полувека в проблеме исследования серебристых облаков основное внимание уделялось вопросам природы их возникновения, а не изучению их пространственно-временной структуры. В результате этого, важность наблюдаемой волновой структуры светящегося тонкого аэрозольного слоя на высотах около 82 км была понята и по достоинству оценена только в начале 70-х годов [3].

Если первоначально влияние метеорологических процессов нижней атмосферы на верхнюю только угадывалось, го в последнее время эта проблема уже приобрела характер широких международных проектов, в которых исследуются многочисленные связи между различными областями высот й делаются попытки построения моделей этих явлений [4-6] на основе совокупности общепланетарных измерений. Например, в программе исследований средней атмосферы "Зима в Северной Европе" (1983-1984 гг.) и "Лето в Северной Европе" (1987 г.), эксперимент АЛОХА (1990 г.).

Однако, в области мезопаузы, где появляются серебристые облака, возникает и мощное собственное излучение атмосферы, в том числе обусловленное молекулой гидроксила, которое чувствительно отображает процессы распространения в атмосфере ВГВ. Поэтому вполне естественным и существенным шагом в изучении многих проблем физики верхней атмосферы стало создание нового оптического метода регистрации ВГВ на основе открытия эффекта модуляции ими интенсивности и температуры гидроксильного излучения мезопаузы [7]. Это открытие стимулировало активные экспериментальные исследования ВГВ в верхней атмосфере оптическими методами как у нас в стране, так и за рубежом.

Тем не менее, необходимо подчеркнуть, что в принципе теоретические исследования генерации волн в нижней атмосфере появились достаточно давно, и на их основе были разработаны основные положения, описывающие распространение волн. Возникновение стационарных волн при обтекании препятствий воздушным потоком было обнаружено более 50 лет назад. Теоретическому и экспериментальному изучению процессов генерации горных подветренных волн при взаимодействии воздушных потоков с горными хребтами и отдельными горами и их проникновению до уровня'стратосферы было посвящено множество работ [8-12], из которых следовала возможность орографически обусловленного притока энергии в верхнюю атмосферу. В работе [11] рассматривались волны, возникающие в подветренной области в потоке воздуха, обтекающего препятствие, стационарные относительно Земли. Общей проблеме генерации различного типа волн в атмосфере и распространения их вплоть до больших высот специально посвящены ряд монографий [1316].

Первые экспериментальные свидетельства воздействия рельефа земной поверхности на характеристики верхней атмосферы были получены по данным измерений в 40-х годах, когда в работе [17] было обнаружено существование континентального эффекта в географическом распределении электронной концентрации области Р2 (увеличение в зимнее время). Спутниковые измерения в дальнейшем выявили увеличение плотности атмосферы над континентами [18]. При помощи самолетных измерений отмечалось уменьшение электронной концентрации в Б области ионосферы над горными массивами по сравнению с данными над соседней равниной (Калчагай) [19].

Результаты измерений пространственного распределения по небу ин-тенсивностей различных эмиссий позволяют �