Интерферометрическое исследование вариаций температуры субавроральной нижней термосферы

Николашкин, Семен Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Интерферометрическое исследование вариаций температуры субавроральной нижней термосферы
ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Интерферометрическое исследование вариаций температуры субавроральной нижней термосферы"

РГК од

2 4 '/пп 2003

На правах рукописи

ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СУБАВРОРАЛЬНОЙ НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СУБАВРОРАЛЬНОЙ НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии Сибирского отделения Российской Академии Наук (ИКФИА СО РАН)

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник В.М. Игнатьев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Е.А.Пономарев (Институт солнечно-земной физики СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор Ю.А. Ромащенко (ИКФИА СО РАН)

Ведущая организация — Институт физики атмосферы РАН им. А.М.Обухова

Защита состоится 2000 г.

в часов на заседании Диссертационного совета К 200.40.01 в Институте космофизических исследований и аэрономии СО РАН по адресу: 677891, г. Якутск, пр. Ленина, 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКФИА СО РАН Автореферат разослан « 9 » 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

Л.П. Шадрина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Результаты теоретических и экспериментальных работ последних лет показывают, что атмосферу необходимо рассматривать как единую сложную термодинамическую систему, в которой наблюдается широкий пространственно-временной спектр движений. Установлено, что процессы, происходящие в какой-либо атмосферной области, связаны, а иногда и определяются влиянием процессов, происходящих в нижележащих областях, которые сводятся к эффектам меридионального и конвективного переноса атмосферных масс из одного атмосферного слоя в другой. Особенно эффективны процессы переноса энергии и количества движения вертикально распространяющимися из тропосферы крупномасштабными волнами планетарного масштаба, генерируемыми крупными орографическими не-однородностями земной поверхности и температурными контрастами, обусловленными планетарным распределением материков и океанов.

Существует предположение, что меридиональные потоки и перенос энергии и количества движения вертикально распространяющимися вверх волновыми возмущениями могут приводить к вариациям температурного режима нижней термосферы.

К сожалению, до сих пор сведения о поведении температуры нижней термосферы крайне ограничены и имеют отрывочный характер. В то же время они имеют очень важное значение для установления закономерностей и роли динамических факторов в формировании теплового режима нижней термосферы и для развития модели средней атмосферы. Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена потребностью получения сведений о поведении температуры нижней термосферы.

Цель работы. 1. Разработка и создание светосильного автоматизированного спектрометра Фабри-Перо с компьютерным управлением и сбором данных для измерения температуры и скорости нейтрального ветра по тепловому уширению и доплеровскому сдвигу контуров кислородных эмиссий в свечении ночного неба.

2. Исследование вариаций температуры ночной нижней термосферы на субавроральных широтах.

3. Физическое обоснование результатов экспериментальных исследований циклических и возмущенных вариаций температуры нижней термосферы динамическими процессами.

Научная новизна. На основании многолетнего статистически обеспеченного экспериментального материала исследованы регулярные вариации температуры нижней термосферы и ее возмущенные вариации, связанные с геомагнитной активностью и стратосферными потеплениями. Исследования проведены с помощью разработанных в ИКФИА высокочувствительных интерферометрических приборов, позволяющих регистрировать вариации температуры нижней термосферы по излучению ночного неба с высоким временным разрешением. На основе накопленного статистического материала наблюдений впервые изучены ночные, сезонные и многолетние вариации доплеровской температуры эмиссии 557,7 нм, а также ее связь со стратосферными потеплениями и с фазами квазидвухлетних колебаний (КДК) экваториального стратосферного зонального ветра. Подтверждена обратная зависимость температуры зимней нижней термосферы от уровня солнечной активности и показан противоположный ход среднегодовых температур с фазой 11-летнего цикла солнечной активности. Показано, что основную роль в вариациях температуры на высотах нижней термосферы играют динамические процессы, связанные с распространением планетарных волн, генерируемые на высотах тропосферы и стратосферы в зимнее время.

Научная и практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при построении модели средней атмосферы, учитывающей влияние солнечной активности и взаимодействие с метеорологическими процессами, протекающими в нижних слоях атмосферы, а также для разработки теории, описывающей формирование теплового режима нижней термосферы с учетом влияния крупномасштабных волновых возмущений, генерируемых в тропосфере.

Отдельные технические решения созданного спектрометра Фабри-Перо могут быть использованы при разработке новой аппаратуры для

изучения температурного режима термосферы по эмиссиям свечения ночного неба и полярных сияний. Диссертация написана по результатам работ автора, выполненными в рамках научной темы отдела аэрономии ИКФИА и по заданию 09.05.01.18 подпрограммы «Арктика» в ОКП «Мировой океан». Часть работ выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 96-0564033).

Степень достоверности полученных автором результатов определяется статистической обеспеченностью выводов данными интерферо-метрических исследований температуры нижней термосферы за длительный период времени, а также использованием адекватных методов анализа и физической интерпретации. Результаты, приведенные в диссертации, согласуются и подтверждаются результатами исследований других авторов.

Личный вклад автора. Автор активно участвовал в разработке и создании комплекса спектрометра Фабри-Перо, проведении наблюдений на созданном приборе, обработке и научном анализе полученных экспериментальных данных, а также в интерпретации результатов исследований.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые в России разработан и создан комплекс аппаратуры светосильного спектрометра Фабри-Перо с компьютерным управлением и сбором данных, работающий в режиме счета фотонов, предназначенный для исследования теплового и динамического режимов верхней атмосферы по излучению ночного неба.

2. Разработаны алгоритмы и написано программное обеспечение для управления спектрометром, пьезоэлектрического сканирования, счета, хранения фотоэлектрических импульсов, отображения наблюдаемой интерференционной картины в реальном времени и предварительной обработки получаемых данных.

3. Впервые получены экспериментальные результаты по регулярным вариациям температуры субавроральной нижней термосферы по ин-терферометрическим исследованиям эмиссии 557,7 нм:

а. Ночной ход температуры:

б. Сезонные вариации температуры нижней термосферы;

в. Вариации в зависимости от цикла солнечной активности.

4. Исследованы возмущенные вариации температуры нижней термосферы:

а. Эффект последействия магнитной бури в вариациях температуры субавроральной нижней термосферы;

б. Связь температуры нижней термосферы с потеплениями зимней стратосферы.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации докладывались на научных семинарах ИКФИА СО РАН, конференциях Якутского госуниверситета «Наука-невостребованный потенциал» (Якутск, 1996), в честь М.А. Алексеева (Якутск, 1997), XXI Ежегодном Апатитском семинаре «Физика авроральных явлений» (Апатиты, 1998), совещании рабочей группы СЫЗТА/МАКСШ (Вупперталь, Германия, 1997), на XXI и XXII Генеральных Ассамблеях ИГСО (Боулдер, США, 1995 и Бирмингем, Великобритания, 1999).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем - 167 страниц, включая 46 рисунков, 5 таблиц, 2 приложения и списка использованной литературы из 148 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткая характеристика современного состояния проблемы исследования температурного режима нижней термосферы, обоснованы актуальность и научная новизна исследования, сформулирована цель работы. Кратко изложено содержание диссертации и представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано описание разработанного комплекса аппаратуры светосильного спектрометра Фабри-Перо с компьютерным управлением и сбором данных (табл.1.). Отсутствие в России серийных высококачественных светосильных интерферометров Фабри-Перо с подходящими параметрами для исследования свечения ночного неба вынудило разработать и изготовить необходимый прибор. Для достижения высокой светосилы и спектральной разрешающей способности потребовалась разработка технического задания на изготовление интерферо-метрических пластин большого диаметра с многослойным диэлектрическим покрытием и линз объектива телескопа. Конструктивно прибор выполнен в виде отдельных функциональных узлов, состоящих из

съемных блоков (рис.1).

Все управление и считывание данных с фотометра спектрометра осуществляются с помощью компьютера. Для этих целей были разработаны алгоритмы управления прибором, сбора, обработки и хранения данных и написано специализированное программное обеспечение с удобным пользовательским интерфейсом с выводом интерференционной картины на экран монитора в реальном времени. Применение компьютера позволило намного упростить управление прибором и сбором данных (Рис.2).

Рис.1. Общий вид спектрометра (в рабочих условиях)

Во второй главе изложена разработанная автором методика количественной оценки относительной дисперсии измерения фотоэлектронов при детектировании слабого светового сигнала с помощью спектрометра Фабри-Перо, работающего в режиме счета фотонов с учетом реальных характеристик оптической системы и фотоприемника спектрометра.

Т а б л и 11 а ]

Основные характеристики спектрометра Фабри-Перо

1. Интерференционные пластины

Диаметр, мм 150

Коэффициент отражения зеркальных покрытий,R 85%

Расстояние между пластинами, /, мм 15

Отражательная тонкость, Nr - 7i*JH ■ (l - R)~X 19

Микроструктурная резкость, N0 >30

Коэффициент контрастности С = ((l + /?)/(1 - R))2 152,1

Теоретическая разрешающая способность идеального

интерферометра, ЯИФП = 2тй ■ J~R ■ [Я ■ (l - 4,023-105

Пропускание в максимуме интерференционного кольца, т 0,934

2. Проектирующая линза (телескоп)

Диаметр, мм 200

Фокусное расстояние,/, в мм 1200

3. Апертурная диафрагма

Диаметр для Л.557,7 нм, в мм 4,2

Апертурная тонкость, NA 12

Апертурное поле зрения 0,2°

4. Свободный спектральный интервал в нм, при i=15 мм

для 7^551,1 нм, ДА = Д2/2/ 0,01037

5. Реальная инструментальная тонкость, NE 9

6. Инструментальная ширина в нм, для л557,7 нм, 0,0015

7. Реальная разрешающая способность 3,7-105

8. Полуширина интерференционного фильтра на 557,7 нм, нм, 2,8

коэффициент пропускания, % 64,5

9. Количество шагов сканирования 255

10. Продолжительность сканирования одного контура, 15

при t=15 с, мин.

11. Количество порядков сканирования за один цикл 4

Рис.2. Блок-схема спектрометра Фабри-Перо.

ДП - датчик начального положения перископа; ШД -шаговый двигатель обзора неба; ПШД - привод ШД\ ЛГН - лазер; ПЗ - привод зеркала; ГСИ - генератор ступенчатых импульсов; ДПФ - датчик положения фильтров; ДФ - двигатель смены фильтров; УАД -усилитель-амплитудный дискриминатор; ФИ - формирователь импульсов; ВВН -источник высоковольтный; ДВВ - датчик включения высокого напряжения; МО -программное обеспечение.

Показано, что ошибка регистрации контура эмиссии 557,7 нм в ночном небе не превышает 4% при времени накопления одного спектрального элемента в 15 сек.

Наблюдения на спектрометре Фабри-Перо проводились в 1998-2000 гг. в зимнее время в безлунные периоды на оптическом полигоне ИКФИА СО РАН в п. Маймага, расположенной в 140 км севернее г. Якутска (геогр. коорд. 63° с.ш., 129,7° в.д.). В работе также использованы данные фотографического интерферометра Фабри-Перо с электронно-оптическим преобразователем, разработанным и созданным в ИКФИА и проработавшим в 1979-1991 гг.

При средних ночных уровнях интенсивности эмиссии 557,7 нм использовалось время накопления при одном шаге сканирования в 15 с. Таким образом, за ночь получалось 48-52 контура (значений температуры). При измерении температуры нижней термосферы по тепловому (доплеровскому) уширению контура эмиссии 557,7 нм [OI] проводился постоянный учет аппаратной функции спектрометра с помощью линии лазерного излучения. Средняя погрешность определения температуры не превышает 8%.

Показано, что статистическое распределение полученных температур после исключения случаев появления полярных сияний имеет вид

близкий к нормальному со средней температурой 195,7±1,06К, что примерно согласуется с модельными представлениями

В третьей главе приведены результаты исследований суточных и сезонных вариаций температуры субавроральной нижней термосферы. В большинстве ночей в зимнее время наблюдаются волнообразные вариации температур с амплитудой, доходящей иногда до 50 К и с периодом от одного до 4-5 часов. В спокойные ночи, когда не было коротко-периодических волновых и авроральных возмущений, иногда наблюдалась слабое понижение температуры в течение ночи в среднем на 1215 К. В весеннее время (в марте) волнообразные возмущения становились слабее.

Доплеровская температура заметно меняется от ночи к ночи, обнаруживая в среднем устойчивую регулярную зависимость от сезона. При отборе температурных данных были исключены те данные, которые были получены в присутствии видимых форм полярных сияний, поскольку наличие сияний, как правило, дает нереальные скачки значений измеренных температур, не соответствующих максимуму высотного профиля ночного излучения эмиссии 557,7 нм.

Описан сезонный ход температуры, максимум которого приходится на декабрь и январь месяцы. От сезона к сезону наблюдаются значительные вариации температуры. Так разность температуры в декабре для сезонов 1978-1979 гг. и 1985-1986 гг. составили -34 К. Обнаруженная особенность сезонного хода температуры нижней термосферы объясняется распределением суммарного притока тепла, которое характеризуется резко выраженным сезонным ходом с максимальными скоростями нагрева и охлаждения соответственно над летним и зимним полюсами. Такая неравномерность нагрева порождает меридиональную циркуляцию, характеризирующуюся восходящим движением на летнем полушарии и нисходящим — вблизи зимнего полюса.

Движение воздушной массы вверх в окрестности летней мезопаузы (возможно и на высотах нижней термосферы) вызывает наблюдаемые там низкие температуры из-за адиабатического охлаждения, тогда как движение её вниз в области зимней мезопаузы вызывает наблюдаемые там высокие температуры. Опускающийся воздух над высокоширотны-

ми районами земного шара в зимний период нагревается за счет адиабатического сжатия, а также за счет энергии, освобождающейся при тройном столкновении атомов кислорода, которые циркуляционным механизмом переносятся с низких широт. С другой стороны, коэффициент турбулентной теплопроводности в мезосфере и нижней термосфере испытывает характерную сезонно-широтную изменчивость. В мезосфере летом турбулентность более сильно развита, чем зимой, что связано с радиационным нагревом мезосферы. Т.е. турбулентная теплопроводность увеличивается от зимы к лету. Таким образом, несмотря на то, что радиационное нагревание летом значительно больше, чем зимой, большая интенсивность летних турбулентных мелкомасштабных вихрей производит сильный отвод тепла из мезосферы, в результате чего температура мезопаузы летом понижается. Зимой же турбулентность в мезопаузе в годы минимума солнечной активности меньше развита, и атмосфера на этих высотах оказывается теплее, чем летом.

Полученная нами закономерность изменчивости температурного режима нижней термосферы в цикле солнечной активности в зимнее время позволяет предположить, что те же процессы (циркуляция и турбулентная теплопроводность) определяют температурный режим нижней термосферы в минимуме солнечной активности.

Изучена вариация температуры нижней термосферы в зависимости от уровня солнечной активности (Рис.3).

Подтверждено наличие отрицательной корреляции между температурой нижней термосферы с солнечной активностью. В максимуме фазы солнечной активности наблюдаются минимальные температуры нижней термосферы и, наоборот, во время минимума фазы солнечной активности - темпе-

л. 1П-7П ,ппл ратура нижней термосферы по-ратур нижнем термосферы за 1979-1990 гг., г г

от индекса ^,0 7 вышена. Хорошо прослеживают-

Рис.З. Зависимость среднемесячных темпе-

Е (КОК)

ся медленный подъем средних, за зимний период температур, связанный с медленным спадом солнечной активности, и быстрое уменьшение температуры с резким повышением солнечной активности. Максимальная разность температуры в минимуме и максимуме солнечной активности составляет около 35 К.

Впервые показано, что зимой между температурой субавроральной нижней термосферы и плотностью потока излучения наблюдается отрицательная корреляция как в восточной, так и в западной фазах квазидвухлетних колебаний экваториального стратосферного зонального ветра (КДК). Сопоставления температуры стратосферы на уровне 30 гПа и мезопаузы с индексом Flol7 показали, что зимой при западной фазе КДК наблюдается положительная корреляция в стратосфере и отрицательная - в мезопаузе. При восточной фазе КДК прослеживается антикорреляция в стратосфере и слабая положительная корреляция в мезопаузе (Рис.4).

Результаты измерений доплеровских температур эмиссии 557,7 нм [01], которые проводились в декабре 1999 г. и в январе 2000 г. на оптическом полигоне Маймага

ИКФИА СО РАН, позволили выявить вариации температуры нижней термосферы в зависимости от геомагнитной активности. В качестве индекса магнитной активности взята суточная сумма

60 100 140 т 220 260 ео юо Т40 т 220 260 восьми трехчасовых ин-

р'<" дексов Кр. Для сопостав-

Рис.4. Сопоставление температур Г557,7( Гон, Гзо с ления с магнитными ИН-индексом Гм 7 в западной и восточной фазах КДК

(сплошные линии - линейная регрессия) дексами Кр из накоплен-

■ » Г. *. ' -1-1-1.. Ь..0—1

ною наблюдательного материала были отобраны зенитные значения доплеровских температур эмиссии 557.7 нм, полученные в ночи с достаточно хорошей прозрачностью и в отсутствии визуально наблюдаемых форм сияний и вуали над горизонтом.

Исследование связи вариации температуры с магнитной активностью показало, что при прямом сопоставлении хода температуры и суммы Кр четкая корреляционная связь между температурой и геомагнитной активностью не обнаруживается. При сдвиге температур на 2-3 суток назад относительно суточной суммы Кр-индекса обнаруживается наличие корреляционной связи между ними с коэффициентом корреляции более 0,7. Обнаруженное запаздывание повышения температуры нижней термосферы после магнитных возмущений подтверждает существование эффекта последействия магнитной бури, который впоследствии получил название «композиционные волны».

В четвертой главе рассмотрено поведение доплеровской температуры субавроральной нижней термосферы во время стратосферных потеплений.

В первом параграфе сделан анализ стратосферного потепления в январе-феврале 2000 г. Данное потепление относится к классу малых и по данным мировой сети стратосферного зондирования КЮАА распространилось сверху вниз. Вначале оно регистрировалось на уровне высот 2 гПа, затем с некоторым запаздыванием по времени на уровнях 10 гПа и 50 гПа. Проведенные в это время наблюдения температуры нижней термосферы (за исключением лунных периодов) показывают, что до потепления (декабрь и январь) температуры держались на уровне модельных значений, а в феврале наблюдались повышенные уровни температур в среднем на 30 К. Высокие значения температур держались до конца февраля - начала марта. С начала марта до конца сезона наблюдений температура нижней термосферы монотонно упала до уровня ~140 К со скоростью 7-8 К/сут. На основании этой последовательности распространения потепления делается вывод, что оно началось на уровне нижней термосферы, а затем распространилось вниз. В это же время в стратосфере началась вторая волна потепления одновременно на всех трех уровнях измерений. Рядом теоретических и экспериментальных

работ было установлено, что динамическая связь средней атмосферы с тропосферой осуществляется вертикально распространяющимися волновыми возмущениями планетарного масштаба. На основе проведенного здесь анализа второй волны потепления показано, что вихревая энергия распространившейся вверх планетарной волны диссипировала на высотах стратосферы, что привело к разогреву стратосферы. В результате возникла ситуация, при которой квазистационарные волны, идущие снизу вверх, запираются на высотах стратосферы, в то время как нижняя термосфера оказалась блокированной, и ее температура стала понижаться вследствие радиационного выхолаживания со скоростью 8 К/сут. Такая скорость охлаждения нижней термосферы обеспечивается инфракрасным излучением в полосе СО2 с /=12 мкм, которое дает охлаждение около 11 К/сут на широте (р=60°.

Таким образом, результаты измерений температуры нижней термосферы, полученные нами вблизи Якутска, показывают, что в зимнее время существует динамическая связь между тропосферой и средней атмосферой вплоть до нижней термосферы. Для подтверждения этого заключения был проведен статистический анализ связи вариаций температуры субавроральной нижней термосферы с сильными зимними стратосферными потеплениями.

Измерения температуры в мезопаузе (-87 км) проводились в 1965— 1970 гг. в Якутске по регистрации линий гидроксильной полосы (6,1) в ночном излучении неба в безлунные периоды на светосильных спектрографах СП-48. В нижней термосфере (~97 км) температурные измерения были проведены в Маймаге в 1979-1991 гг. на интерферометрах Фабри-Перо по линии 557,7 нм. Сведения о сильных зимних потеплениях на уровне 30 гПа (-27 км) в полярной стратосфере взяты из синоптических бюллетеней ГУГМС за период 1961-1991 гг. В анализе использованы данные о температурах на вышеуказанных уровнях высот, усредненные за два зимних месяца: январь и февраль.

Сопоставления температур на уровнях нижней термосферы, мезопаузы и стратосферы показало, что в периоды, когда на уровне 30 гПа появляется сильные зимние потепления, на высотах мезопаузы и нижней термосферы наблюдались понижения температуры.

Для оценки величины похолоданий нижней термосферы и мезопау-зы предложены эмпирические уравнения, отражающие зависимость ЛТон и А7'557 7 вблизи широты Якутска от Д7зо во время сильных зимних потеплений полярной стратосферы. Таким образом, зная температуру максимума потепления на уровне 30 гПа, можно вычислить температуру максимума похолодания в мезопаузе и нижней термосфере с точностью не хуже 4%.

Исследования показали, что максимумы похолодания в мезопаузе и нижней термосфере запаздывают на несколько дней относительно максимумов сильных зимних потеплений в стратосфере. На основании приведенных результатов следует, что температура и время наступления похолодания зависит от интенсивности потепления в стратосфере. В мезопаузе и нижней термосфере температура понижается в среднем на 13 К (доверительная вероятность р>0,95, коэффициент корреляции г>0,65 в диапазоне АТ от 4 до 23 К). Оценка показывает, что среднее вре-мя запаздывания похолодания на широте Якутска относительно дня максимального сильного потепления в полярной стратосфере составляет ~1б(±1,2) сутки. Отсюда можно оценить среднюю скорость распространения метеорологического возмущения в направлении север-юг 7,7 км/час, принимая во внимание, что один градус по долготе равен 110 км.

В заключении приведены основные результаты полученные в ходе выполнения работы, которые сводятся к следующему.

1. Создан и введен в действие комплекс аппаратуры автоматизированного светосильного спектрометра Фабри-Перо, предназначенного для исследования теплового и динамического режимов термосферы по измерениям тепловых уширений и доплеровских сдвигов контуров запрещенных атмосферных эмиссий.

2. Разработана методика количественной оценки предельной чувствительности спектрометра Фабри-Перо, работающего в режиме счета фотонов, к обнаружению слабого ночного свечения. С учетом характеристик реального прибора и его приемно-регистрирующего блока показано, что в ночном небе ошибка регистрации контура эмиссии 557,7 нм не превышает 4% при времени накопления 15 сек.

3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для управления спектрометром, для контроля его важнейших параметров, сбора, предварительной обработки и хранения данных.

4. Впервые исследованы особенности ночных, сезонных, длиннопе-риодных и возмущенных вариаций температуры субавроральной нижней термосферы по тепловому уширению контура кислородной эмиссии 557,7 нм [01].

а. Показано, что ночной ход температуры нижней термосферы испытывает короткопериодические вариации, проявляющиеся преимущественно в зимние месяцы, которые становятся менее заметными к весенним месяцам. Сделан вывод, что наблюдаемые короткопериодические вариации температуры ночной нижней термосферы зимой могут быть обусловлены проникновением в термосферу волн различного масштаба из нижних слоев атмосферы.

б. Изучен многолетний сезонный ход температуры нижней термосферы, который имеет устойчивый максимум, приходящийся на декабрь и январь месяцы, обусловленный сезонным изменением характера меридиональной составляющей глобальной циркуляции верхней атмосферы и переносом из летнего полушария в зимнее значительного количества кислорода, рекомбинирующего в тройных столкновениях. Последнее приводит к выделению химической энергии, вызывающей повышение температуры на высотах зимней нижней термосферы.

а. Подтверждена отрицательная корреляционная зависимость температуры нижней термосферы от уровня солнечной активности в ее 11-летнем цикле - изменение температуры нижней термосферы происходит в противофазе с изменениями индекса солнечной активности ^0,7'-повышение температуры наблюдается в периоды минимума, а ее понижение в периоды максимума солнечной активности. Полученный результат показывает существенную роль изменения меридиональной

компоненты циркуляции и турбулентной диффузии в вариациях температурного режима нижней термосферы и мезосферьг в цикле солнечной активности.

б. Впервые показано, что зимой между температурой субаврораль-ной нижней термосферы и плотностью потока излучения наблюдается отрицательная корреляция в обеих фазах КДК. Антикорреляция во время западной несколько выше, чем в период восточной фаз КДК. Весной отрицательная корреляция наблюдается в период восточной и практически отсутствует в период западной фазы КДК. Осенью также наблюдается отрицательная корреляция во время западной и восточной фаз КДК.

в. Сопоставления температуры стратосферы на уровне 30 гПа и ме-зопаузы с индексом Fw¡1 показали, что зимой при западной фазе КДК наблюдается положительная корреляция в стратосфере и отрицательная - на высотах мезопаузы. При восточной фазе КДК антикорреляция прослеживается в стратосфере и слабая положительная корреляция в мезо-паузе.

г. Средняя за зимний период антикорреляция наиболее сильно выражена в мезопаузе и в нижней термосфере при западной фазе КДК.

6. Впервые экспериментально обнаружен эффект последействия магнитной бури в вариациях температуры ночной нижней термосферы над Якутском с задержкой на 2-3 дня от начала магнитного возмущения.

7. Впервые произведен статистический анализ связи вариаций температуры субавроральной нижней термосферы с зимними сильными стратосферными потеплениями. Подтверждено, что основным механизмом передачи энергии из нижних слоев атмосферы в верхние являются крупномасштабные волновые процессы типа планетарных волн.

В приложении приведены характеристики использованных интерференционных светофильтров, а также листинг программы управления и сбора данных, составленный на языке программирования Borland С++ 3.1 и библиотеки классов Turbo vision.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Югов В.А., Николашкин С.В., Игнатьев В.М. Связь температуры субавроральной нижней термосферы с солнечной активностью и фазами квазидвухлетних колебаний // Геомагнетизм и аэрономия. - 1997. -Т.37. -N6. - С. 108-112.

2. Югов В.А., Николашкин С.В., Игнатьев В.М. Связь температуры средней атмосферы с солнечной активностью и фазами КДК на субав-роральных широтах // Геомагнетизм и Аэрономия. - 1998. - Т.38. - N1. -С. 141-146.

3. Югов В.А., Николашкин С.В., Игнатьев В.М. Связь температуры субавроральной мезопаузы и нижней термосферы с температурой полярной стратосферы во время зимних сильных потеплений // Геомагнетизм и аэрономия. - 1998. - Т.38. -N1. - С.115-121.

4. Игнатьев ВМ., Николашкин С. В., Югов В.А., Авксентьев А.Г., Аммосов П.П. Светосильный спектрометр Фабри-Перо // Приборы и техника эксперимента. - 1998. -№ 4. - С. 107-110.

5. Ignatyev V.M., Nikolashkin S.V. High Luminosity Fabry-Perot Spectrometer for Study the Upper Atmosphere Temperature and Dynamics // Physics of Auroral Phenomena. Proc. of the 21st Annual Seminar. Apatity. 24-27 March 1998. Apatity. 1998. - P. 45-47.

6. Nikolashkin S.V., Ignatyev V.M., and Yugov V.A. Behaviour of Subauroral Lower Thermosphere and Mesopause Temperature During Polar Stratosphere Winter Strong Warmings (JSA20/W/31-A4 1200-19) // Abstracts IUGG 99, week A, 19-24 July 1999, Birmingham. - 1999. - P. A106.

7. Nikolashkin S. V, Ignatyev V. M, and Yugov V. A. Relationship the Subauroral Middle Atmosphere Temperature with Solar Activity and QBO Phases (JSA20/W/43- A4 1200-23) // Abstracts IUGG 99, week A, 19-24 July 1999, Birmingham. - 1999. -P.A106.

8. Ignatyev V.M., Nikolashkin S.V Response of the Subauroral Lower Thermosphere and Mesopause Temperature on Polar Stratospheric Strong Winter Warming II J.Atmos.Solar.Terr.Phys. - V.62. 2000. (в печати)

9. Ignatyev V.M., Nikolashkin S. V. Solar Activity and QBO Influence on the Temperature Regime of Subauroral Middle Atmosphere // J.Atmos.Solar. Terr.Phys. - V.62. 2000. (в печати).

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Николашкин, Семен Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА

1.1. Светосильный спектрометр Фабри-Перо

1.1.1. Общие сведения

1.1.2. Интерферометрическая головка

1.1.3. Телескоп, апертурная диафрагма и блок фильтров

1.1.4. Фотометрическая система

1.1.5. Компьютерный интерфейс и его программное обеспечение

1.1.6. Генератор ступенчато-изменяющегося напряжения и 50 устройство электрической юстировки

1.1.7. Лазерный осветитель

Глава 2. МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

2.1. Оценка порога чувствительности спектрометра Фабри-Перо

2.2. Подготовка спектрометра Фабри-Перо к работе

2.3. Условия наблюдений

2.4. Учет аппаратной функции спектрометра Фабри-Перо

2.5. Предварительная обработка данных

2.6. Определение доплеровской температуры

2.7. Ошибки определения температуры

2.8. Статистическое распределение доплеровских температур нижней 79 термосферы

Глава 3. РЕГУЛЯРНЫЕ И ВОЗМУЩЕННЫЕ ВАРИАЦИИ 82 ТЕМПЕРАТУРЫ НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ

3.1. Ночной ход температуры эмиссии 557,7 нм

3.2. Сезонный ход температуры нижней термосферы

3.3. Связь температуры нижней термосферы субавроральных широт с 90 фазами 11-летнего цикла солнечной активности

3.4. Связь температуры нижней термосферы и средней атмосферы с 95 солнечной активностью и фазами КДК на субавроральных широтах

3.5. Магнитная активность и ее проявление в вариациях температуры 104 нижней термосферы

ГЛАВА 4. РЕАКЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СУБАВРОРАЛЬНОИ

НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЫ НА ЗИМНИЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ

4.1. Поведение температурного режима субавроральной нижней термосферы во время зимних стратосферных потеплений в феврале-марте 2000 г.

4.1. Связь температуры субавроральной мезопаузы и нижней термосферы с температурой полярной стратосферы во время зимних сильных потеплений

Введение Диссертация по геологии, на тему "Интерферометрическое исследование вариаций температуры субавроральной нижней термосферы"

Процессы, происходящие в нижней термосфере представляют определенный научный интерес тем, что нижняя термосфера является пограничной областью взаимодействия между ионосферно-магнитосферной плазмой, контролируемой электромагнитным и корпускулярным действием солнечной и геомагнитной активностей, с одной стороны, и нейтральной атмосферой Земли, расположенной ниже, с другой стороны. Уникальность этой области еще заключается в том, что здесь существует максимальный высотный температурный градиент, заключенный в области высот от 90-95 до 120-150 км, нижней границей которой является мезопауза - самая холодная область атмосферы. Тепловой баланс нижней термосферы поддерживается нагревом солнечным ультрафиолетовым излучением через фотодиссоциацию и фотоионизацию и радиационным охлаждением инфракрасным и микроволновым излучением при интенсивном перемешивании такими динамическими процессами как нейтральные ветры, конвекция и турбулентность. Происходящие вариации температурного режима возникают в результате взаимодействия I нижней термосферы с высыпающимися частицами в зоне полярных сияний, и последующим переносом тепла через динамические процессы в сторону более низких широт, а также с волновыми процессами различного масштаба, среди которых доминирующую роль играют планетарные волны. Последние считаются главным источником вариаций температуры нижней термосферы высоких и умеренных широт. Исследование отклика температурного режима на вышеназванные факторы является важным звеном в понимании солнечно-земных связей и построения эмпирической модели крупномасштабной динамики верхней атмосферы.

Сильная изменчивость структурных параметров верхних слоев атмосферы, многообразие и сложность протекающих в них процессов, неоднозначность интерпретации результатов наблюдений, отсутствие равномерного распределения по поверхности земного шара пунктов наблюдений - все это обусловило тот факт, что проблема построения динамической модели атмосферы до сих пор еще далека от своего полного решения.

С другой стороны труднодоступность и сложность проведения прямых измерений в области нижней термосферы обусловили ее относительно меньшую степень изученности. Но тем не менее существуют ряд методов исследования температурного и динамического режимов нижней термосферы -это ракетное зондирование, радиолокация метеорных следов и ионосферных неоднородностей, лидарное зондирование и интерферометрия свечения ночного неба излучающих там газов. Спутниковые и ракетные методы имеют несколько существенных недостатков это их эпизодичность, невозможность прослеживания мелкомасштабных пространственно-временных вариаций и, наконец, дороговизна.

Одним из самых дешевых и точных методов измерения температуры и скорости нейтрального ветра в верхней атмосфере является интерферометри-ческий метод [1-3]. При помощи интерферометров Фабри-Перо можно одновременно определить температуру и скорость нейтрального ветра по допле-ровскому уширению запрещенных линий кислорода и по их доплеровскому сдвигу длины волны можно вычислить скорость ветра в эмиссионном слое. Хотя в настоящее время в мире работают около десятка групп, которые занимаются интерферометрическими исследованиями верхней атмосферы большинство из них работают в основном с красной линией атомарного кислорода 630,0 нм [01], высвечивающейся на высотах порядка 250-300 км [47], а также исследуют вариации температуры и скорости нейтрального ветра в полярных сияниях [8-15].

Для определения температуры нейтральной атмосферы используются эмиссионные линии запрещенных переходов атомарного кислорода. Для нижней термосферы используется линия 557,73 нм, которая образуется при переходе между состояниями ^ —> ^О, максимум интенсивности которой расположен на высоте 97 км и время жизни ее в возбужденном состоянии равняется 0,7 с [50,51]. За то время, когда атомы кислорода находятся в возбужденном состоянии до высвечивания, они успевают совершить несколько столкновений с нейтральными атомами и принять температуру окружающей среды, тогда при излучении их эмиссионная линия оказывается доплеровски уширенной [19,20,27,51-53]. В работах [1,7,51-54] предложены различные методы обработки данных доплеровских контуров для получения температуры.

Температурные измерения в ночной нижней термосфере малочисленны по сравнении с измерениями в полярных сияниях и в области термосферы по линии 630,0 нм. Ранние эпизодические измерения были использованы для точного определения длины волны зеленой линии, оценки температур нижней термосферы. Более систематические наблюдения начались с середины 60-х годов [19]. В работе [19] по данным 1965-1974 гг. были впервые исследованы долгопериодные вариации температуры ночной нижней термосферы. Впервые было обнаружено существование отрицательной корреляции между солнечной активностью и температурой нижней термосферы. В этой работе также были приведены результаты температурных измерений, где видны волнообразные вариации температуры с амплитудой, доходящей до 60 К и периодом до 5-6 часов, но никаких объяснений не дается. В работе [20] статистически исследуется поведение температуры нижней термосферы во время стратосферных потеплений. Обнаружено понижение температуры в среднем на 10 К на широте 40°М Здесь же говорится о начале похолодания нижней термосферы во время максимума стратосферного потепления, а максимум похолодания наступает на один месяц позже. Хотя физического объяснения этому явлению в работе не было дано.

В работах [61-63] теоретически и экспериментально исследованы основные свойства стратосферных потеплений, их связи с другими параметрами атмосферы и динамики потеплений до высот мезосферы. Было установлено, что основным механизмом развития зимних стратосферных потеплений является взаимодействие волн на высотах мезосферы и, может даже термосферы. Основным условием развития потепления является наличие горизонтальных ветров со скоростью 150-200 м/с. Притом, потепления происходят обычно в зимние месяцы, чаще с января по март и подразделяются на два типа - первый тип это глобальное (сильное) потепление типа «major», которое охватывает всю толщину стратосферы и нижней мезосферы, при этом происходит глобальная перестройка стратосферного зонального ветра, т.е. преобладающие западные ветры в стратосфере обращаются в восточный ветер и стратосфера переходит в летний режим. Вторым типом потепления является тип «minor», в этом случае глобальной перестройки стратосферной динамики не наблюдается, из-за того, что потепление носит более локализованный характер, хотя амплитудные значения потепления такие же как и в сильных потеплениях.

Стратосферные потепления проявляются в значительных изменениях полей температуры, давления и ветра. Экспериментальные исследования показывают, что отклик этих изменений наблюдаются и на высотах мезосферы.

Анализ стратосферно-мезосферных температур во время стратосферных потеплений показал, что потепления в стратосфере одновременно вызывают изменения температуры противоположного знака в мезосфере [65-68]. На основе теоретических расчетов также было предсказано влияние стратосферных потеплений на еще более высокие слои атмосферы [69,71], которое должно вызывать умеренные похолодания на высотах нижней термосферы, что было подтверждено в работах [20,61].

Таким образом, со стратосферными потеплениями непосредственно связана проблема взаимодействия атмосферных слоев. В последнее время теоретически и экспериментально убедительно показано [62-64,72], что внутренние гравитационные и планетарные волны, генерируемые в тропосфере и распространяющиеся в вертикальном направлении, вносят существенный вклад в тепловой режим и динамику верхних слоев атмосферы. В работе [72] показано, что одним из основных источников нагрева верхней атмосферы в зимних условиях высоких широт, когда ультрафиолетовая радиация Солнца очень мала, являются планетарные волны с волновым числом 1 или 2, генерируемые в тропосфере при расщеплении полярного вихря. Авторы [73] показали, что до высот мезосферы и нижней термосферы могут доходить только планетарные волны с волновым числом 1 или 2, притом только в зимнее время, когда в преобладающий зональный стратосферный ветер имеет западное направление, в летних же условиях, когда средний зональный ветер имеет восточное направление, или во время сильных стратосферных потеплений, планетарные волны не могут пройти через стратосферу и там диссипируют.

Эти факторы указывают на то, что при построении динамической модели верхних слоев атмосферы необходимо учитывать влияния не только дополнительных авроральных источников тепла, но и их динамическую связь с нижележащими слоями атмосферы.

В работах [74-77] показано, что на высотах ниже 100 км должна существовать связь между волновым излучением Солнца и температурой атмосферы вплоть до озонного слоя. Измерения температуры на ракетах на экваториальной станции ТЪитЬа (8° Ы; 77° Е) с декабря 1970 г. по декабрь 1971 г. показали положительную корреляцию между температурой мезосферы на высотах 51-70 км и индексом [78]. Исследование вариаций мезосферных температур в солнечном цикле (1971-1982 гг.) на станциях ТЪитЬа (Индия), Волгоград (49° Ы; 44° Е), Хейс (81° N5 58° Е) и Молодежная (69° 8; 46° Е) в восточном полушарии [79] также показали положительную корреляцию между температурой мезосферы и числом солнечных пятен с высоким уровнем доверительной вероятности (р>0,999). Особенно высокая корреляция была найдена [79] в периоды равноденствий. Там же отмечено, что величина мезо-сферного нагревания наблюдается максимальной во время подъема солнечной активности. Степень нагрева атмосферы обусловлена солнечным излучением и максимальна на высотах 65-70 км. На фазе роста солнечной активности нагревание в основном вызывается увеличением излучения в линии Ьа (121,6 нм), которое играет важную роль в физико-химических процессах в мезосфере. Выше 80 км положительная корреляция температуры с солнечной активностью исчезает [79].

Анализируя измерения температуры, полученные на ракетах в Волгограде в 1969-1983 гг. [76] исследователи также пришли к выводу, что положительная корреляция между температурой и индексом F10,7, исчезает на высотах 75-80 км.

Измерения температуры в ночном небе на интерферометре Фабри-Перо по линии 557,7 нм в Северной Америке на широтах 40° в 1965-1974 гг. [19] выявили отрицательную корреляцию между температурой и длиннопериод-ными вариациями индекса Fio,7.

В работах [80-83] показано, что связь между вариациями температуры, измеренными на высотах стратосферы и мезосферы, и солнечной активностью наблюдается лучше, если температуры группировать по сезонам (зима, весна, лето, осень) в зависимости от фазы КДК экваториального зонального ветра, существующего в стратосфере на уровне 10-40 гПа. Такие сопоставления температуры мезопаузы были выполнены на широтах 50-70° N в Западной Европе [84]. Результаты показали отрицательную корреляцию между температурой и индексом F10,7. Степень антикорреляции зависит как от сезона, так и от фазы КДК.

Вариации температуры и давления вызывают изменения процессов горизонтального переноса в атмосфере. Поэтому исследования на высотах 801100 км показывают, что ветры также заметно реагируют на изменения уровня солнечной активности [85-91].

До сих пор четкой связи температуры нижней термосферы с геомагнитной активностью, можно сказать, еще не установлено. В работе [19] найдено наилучшее соответствие с температурой при сдвиге Ар индекса на 4 дня - без упоминания каких-либо механизмов. Температурные эффекты, вызванные магнитной бурей на уровне мезосферы по ракетному зондированию и по излучению ОН исследовались в [92-95]. В работах [92,93] впервые было обнаружено задержка вариаций интенсивности и температуры излучения гидро-ксила от прошедшей магнитной бури, например, для Звенигорода (56 N) время запаздывания составляет 1,5-2 сут. и до 10 сут. для экватора. Выведена эмпирическая зависимость запаздывания от широты и оценена средняя скорость распространения возмущения равной 10 м/с, которая зависит от уровня геомагнитного возмущения. Данный эффект авторы [93,95] объясняют явлением, так называемых, «композиционных волн», заключающихся в переносе активированных воздушных масс из области высыпаний частиц в зоне полярных сияний во время бури в более низкие широты. По результатам ракетных измерений высотного профиля температуры мезосферы на различных широтах [94] также было обнаружено наличие запаздывания изменения температуры от геомагнитных возмущений.

Как видно, до сих пор нет четкой картины зависимости вариаций температуры нижней термосферы от различных гелио- геофизических и метеорологических факторов. Предложенные на основе экспериментальных данных модели [96-104] требуют уточнения и дополнения. Основной причиной такой ситуации является малое количество экспериментального материала, вызванное сложностью организации и проведения длительных наблюдений на этих высотах, связанные с астроклиматическими, географическими и техническими факторами.

Для выполнения вышеупомянутых исследований в ИКФИА были созданы различные варианты и модификации интерферометров Фабри-Перо. Например, были созданы фотографические интерферометры с электронно-оптическими преобразователями (ЭОП), использующие пластины диаметром 50 мм и металлическим покрытием [23]; спектрометр Фабри-Перо с диаметром пластин 40 мм с диэлектрическим покрытием [24]. Но светосила этих приборов была очень низкая, поэтому они удовлетворительно работали только в полярных сияниях. Применение ЭОПа позволило увеличить чувствительность до величины, достаточной для регистрации контуров излучения ночного неба, но при этом возникают неизбежные сложности, связанные с эксплуатацией ЭОПов, усиление уровня шума и громоздкость аппаратуры. Дальнейшая эксплуатация данного прибора по объективным причинам оказалась практически невозможной, хотя полученные данные имели удовлетворительное качество. Тогда как за рубежом в основном применяли интерферометры с апертурой не ниже 100 мм и с многослойным диэлектрическим покрытием пластин [25-28]. Для продолжения начатых исследований и получения новых данных нами было принято решение обновить существующую аппаратуру с применением новых технических решений и персональных компьютеров. Для решения поставленной задачи нами были составлены технические задания на изготовление интерферометрических пластин большого диаметра с многослойным диэлектрическим покрытием и специальной линзы для объектива телескопа. Заказ на пластины удалось разместить на Опытном заводе Сибирского отделения РАН в г. Новосибирске, изготовленные пластины получились удовлетворительного качества и вполне отвечали требованиям технического задания, а телескопическая линза была изготовлена на ОКБ «Оптика» в г. Томске. Изготовление механических деталей выполнено в экспериментальной мастерской ИКФИА. Разработка и изготовление компьютерного интерфейса, системы счета фотонов, других электронных узлов и программного обеспечения было выполнено собственными силами. Основные характеристики созданного прибора [29,30] сведены в табл. 1.1.

Важным толчком для создания нового светосильного спектрометра Фаб-ри-Перо было то обстоятельство, что территория России остается не охваченным температурными измерениями и измерениями нейтральных ветров в области термосферы. Для построения планетарной картины распределения температуры и поля ветров отсутствие точки наблюдений в большей части умеренных и высоких широт Восточного полушария создает неоправданные трудности, тем более в настоящее время, когда появились реальные возможности оперативно получать и обмениваться данными с коллегами по всему миру.

Для создания нового спектрометра были выполнены необходимые теоретические расчеты с учетом всего мирового опыта создания интерферометров. Теория интерферометров Фабри-Перо и описания некоторых приборов опубликованы во многих отечественных и зарубежных изданиях [1,31-45]. В и работе [46] впервые описывается спектрометр с компьютерным управлением, где был применен мини ЭВМ с объемом памяти 64К. Использование компьютера в управлении спектрометром, сборе, предварительной обработке и хранении данных в значительной степени облегчает процессы наблюдений на спектрометре и последующей обработки данных.

Из-за очень слабой интенсивности свечения ночного неба возникает необходимость накопления светового сигнала. Для решения этой задачи используется, так называемый, метод счета фотонов, или работа фотоумножителей в одноэлектронном режиме. Теория и методика отбора фотоумножителей для реализации данного способа, а также его преимущества и недостатки описываются в работах [47-49].

Работа посвящена экспериментальному исследованию и физическому обоснованию механизмов воздействия солнечной и геомагнитной активностей через динамические процессы в средней и нижней атмосфере на температуру субавроральной нижней термосферы с помощью разработанного и изготовленного в лаборатории оптических исследований полярных сияний и свечения ночного неба ИКФИА комплекса автоматизированного светосильного спектрометра Фабри-Перо.

2. Исследование вариаций температуры ночной нижней термосферы на субавроральных широтах.

Научная новизна. Впервые в России исследованы вариации температуры нижней термосферы по ночному свечению кислородной эмиссии 557,7 нм интерферометрическим методом. Исследования проведены с помощью разработанных в ИКФИА высокочувствительных интерферометрических приборов, позволивших регистрировать вариации температуры нижней термосферы по излучению ночного неба с высоким временным разрешением. Исследована связь температуры нижней термосферы с солнечной и геомагнитной активностями, со стратосферными потеплениями и с фазами квазидвухлетних колебаний (КДК) экваториального стратосферного зонального ветра. Подтверждена отрицательная зависимость температуры нижней термосферы от уровня солнечной активности и показан противоположный ход среднегодовых температур с фазой 11-летнего цикла солнечной активности. При этом выявлено, что отрицательная корреляция на высотах нижней термосферы выражена лучше при западной фазе КДК. На высотах мезопаузы отрицательная корреляция при восточной фазе КДК переходит на слабую положительную корреляцию. Сильная положительная корреляция температуры стратосферы с солнечной активностью на уровне 30 гПа во время западной фазы КДК при восточной фазе переходит в отрицательную. Также исследованы зависимость температур нижней термосферы от стратосферных потеплений. Выявлено, что при сильных стратосферных потеплениях наблюдается похолодание на уровне нижней термосферы. Показано, что основную роль в вариациях температуры на высотах нижней термосферы играют динамические процессы, связанные с распространением планетарных волн, генерируемые на высотах тропосферы и стратосферы в зимнее время.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Николашкин, Семен Викторович

Основные результаты экспериментальных работ по исследованию теплового режима субавроральной нижней термосферы, изложенные в диссертации, сводятся к следующим выводам.

1. Создан и введен в действие комплекс аппаратуры светосильного спектрометра Фабри-Перо, предназначенного для исследования теплового и динамического режимов термосферы по измерениям тепловых уширений и до-плеровских сдвигов контуров запрещенных атмосферных эмиссий, излучаемых в ночном небе.

2. Разработана методика количественной оценки предельной чувствительности спектрометра Фабри-Перо, работающего в режиме счета фотонов, к обнаружению слабого ночного свечения с приемлемой относительной дисперсией измерения фотоэлектронов. С учетом характеристик реального прибора и его приемно-регистрирующего блока показано, что в ночном небе ошибка регистрации контура эмиссии 557,7 нм не превышает 4% при времени накопления одного спектрального элемента в 15 сек.

4. Впервые исследованы особенности ночных, сезонных, длиннопериод-ных и возмущенных вариаций температуры субавроральной нижней термосферы по тепловому уширению контура кислородной эмиссии 557,7 нм [01]. а. Показано, что ночной ход температуры нижней термосферы испытывает короткопериодические вариации, проявляющиеся преимущественно в зимние месяцы, которые становятся менее заметными к весенним месяцам. На основании этого результата сделан вывод, что наблюдаемые короткопериодические вариации температуры ночной нижней термосферы в зимние месяцы могут быть обусловлены проникновением волн различного масштаба из нижних слоев атмосферы. б. Изучен многолетний сезонный ход температуры нижней термосферы, который имеет устойчивый максимум, приходящийся на декабрь и январь месяцы, обусловленный сезонным изменением характера меридиональной составляющей глобальной циркуляции верхней атмосферы, и связанным с ней переносом из летнего полушария в зимнее значительного количества кислорода, рекомбинирующего в тройных столкновениях, приводящих к выделению химической энергии, вызывающей повышение температуры на высотах зимней нижней термосферы.

5. Исследована зависимость температуры субавроральной нижней термосферы от уровня солнечной активности при разбиении данных по фазам квазидвухлетних колебаний (КДК) экваториального стратосферного зонального ветра. Полученные зависимости свидетельствуют о наличии тесной связи вариаций температуры нижней термосферы от солнечной активности через динамические процессы в средней и нижней атмосфере. а. Подтверждена отрицательная корреляционная зависимость температуры нижней термосферы от уровня солнечной активности в ее 11-летнем цикле. б. Впервые показано, что зимой между температурой субавроральной нижней термосферы и плотностью потока излучения наблюдается отрицательная корреляция в обоих фазах КДК. Антикорреляция во время западной (/=-0,77; /?--0,975) несколько выше, чем в период восточной (г=-0,54; р=0,955) фазы КДК. Весной отрицательная корреляция наблюдается в период восточной фазы (г=-0,66; />=-0,955) и практически отсутствует в период западной фазы КДК. Осенью также наблюдается отрицательная корреляция во время западной (г=-0,67; р=-0,996) и восточной (г=-0,69; р=-0,955) фазы КДК. в. Сопоставления температуры стратосферы на уровне 30 гПа и мезо-паузы с индексом показали, что зимой при западной фазе КДК наблюдается положительная в стратосфере и отрицательная - мезопаузе. При восточной фазе КДК антикорреляция прослеживается в стратосфере и слабая положительная - в мезопаузе. г. Среднезимняя антикорреляция наиболее сильно выражена в мезопаузе и нижней термосфере при западной фазе КДК.

7. На основании накопленного статистического материала изучена вариация температуры нижней термосферы в зависимости от уровня солнечной активности. Показано, что изменение температуры нижней термосферы происходит в противофазе с изменениями индекса солнечной активности при этом повышение температуры наблюдается в периоды минимума, а ее понижение в периоды максимума солнечной активности. Полученный результат показывает о решающей роли изменения меридиональной компоненты циркуляции и турбулентной диффузии на высотах нижней термосферы и мезосферы в цикле солнечной активности.

8. Впервые произведен статистический анализ связи вариаций температуры субавроральной нижней термосферы с зимними сильными стратосферными потеплениями. Подтверждено, что основным механизмом передачи энергии с нижних слоев атмосферы в верхние являются крупномасштабные волновые процессы типа планетарных волн. а. При анализе температурных данных установлено, что зимние стратосферные потепления могут развиваться и на высотах нижней термосферы и распространяться вниз в стратосферу. С другой стороны потепления, начавшиеся на более низких высотах блокируют распространение вверх планетарных волн до высот нижней термосферы, в результате которого при отсутствии других источников тепла она начинает монотонно охлаждаться. б. Температура и время максимума похолодания зависят от интенсивности потепления в стратосфере. В мезопаузе и нижней термосфере температуры в среднем понижаются на 13К. Максимумы похолодания на широте Якутска в среднем наблюдаются на 16(±1,2) сутки после максимумов стратосферных сильных зимних потеплений на Северном полюсе. в. Получены уравнения регрессии, позволяющие вычислить температуру и время максимумов похолодания в мезопаузе и нижней термосфере в зависимости от максимальных приростов температуры в стратосфере на уровне 30 гПа во время зимних сильных потеплений. г. Определена средняя скорость распространения метеорологического возмущения от источника зимнего сильного потепления в стратосфере, вызывающая похолодания в мезопаузе и нижней термосфере, равная 7,73 км/ч. д. Физические условия, необходимые для формирования среднезим-них сильных стратосферных потеплений, которые вызывают похолодания в мезопаузе и нижней термосфере, возникают в западной фазе КДК при высокой или в восточной фазе КДК при низкой солнечной активности, когда индексы FWj имеют значения 100> /^0,7^ 150.

В заключение выражаю искреннюю благодарность к.ф.-м.н. Игнатьеву В.М. за постановку задачи, руководство, внимание и постоянную помощь в ходе выполнения работы, к.ф.-м.н. Югову В.А. за помощь при организации и проведении наблюдений и обработки статистического материала, Ждановой А.И. за помощь в первичной обработке данных фотографического интерферометра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Николашкин, Семен Викторович, Якутск

1. Игнатьев В.М., Югов В.А. Интерферометрия крупномасштабной динамики высокоширотной термосферы. Якутский научный центр. - Якутск. - 1995.-208 с.

2. Hernandez G., Killeen T.L. Optical Measurements of Winds and Kinetic Temperatures in the Upper Atmosphere // Adv. Space Res. 1988. - V. 8, N 5-6. -P. 149-213.

3. Hernandez G., Roble R.G. Direct Measurement of Nighttime Thermospheric Winds and Temperatures. 3. Monthly Variations During Solar Minimum // J. Geophys. Res. 1977. - V. 82, N 35. - P. 5505-5511.

4. Семенов А.И. Интерферометрические измерения температуры верхней атмосферы. Примечание охлажденных электронно-оптических преобразователей. Сб. Полярные сияния и свечение ночного неба. Наука: М., 1975. - С. 64-65.

5. Hernandez G., Roble R.G. Observations of Large-Scale Thermospheric Waves During Geomagnetic Storms // J. Geophys. Res. 1978. - V. 83, N 5. - P. 5531-5538.

6. Hernandez G., Roble R.G., Allen I.H. Midlatitude Thermospheric Winds and Temperatures and Their Relation to the Auroral Electrojet Activity Index // Geophys. Res. Lett. 1980. - V. 7. - P. 677-680.

7. Hernandez G., Roble R.G., Ridley E.C. et al. Thermospheric Responce During Magnetic Storms Solar Cycle Maximum Over Fritz Peak, Colorado // J. Geophys. Res. 1982. - Y. 87, N 11. - P. 9181-9193.

8. Hernandez G., Roble R.G. Nighttime Variation of Thermospheric Winds and Temperatures Over Fritz Peak Observatory During Geomagnetic Storm of March 2, 1983 // J. Geophys. Res. 1984. - V. 89, N 10. - P. 9049-9056.

9. Игнатьев В.М. Особенности контуров линий 5577 А и 6300 А в полярных сияниях // Геомагнетизм и аэрономия Изд-во "Наука".- 1977 - том 18, N 1- С. 153-154.

10. Игнатьев В.М. Ночной ход доплеровской температуры эмиссии 5577 А в полярных сияниях // Комплексные исследования явлений высокоширотной атмосферы. Якутск: Якутский филиал СО АН СССР, 1978. - С. 44-51.

11. Hays Р.В., Nagy A.F., Roble R.G. Interferometric Measurements of the 6300 A Doppler Temperature During a Magnetic Storm // J. Geophys. Res. 1969. -V. 74.-N 16.-P. 4162-4168.

12. Yagy Т., Dyson P.L. The Response of the Midlatitude Thermospheric Wind to Magnetic Activity // Planet. Space Sci. 1985. - V. 33, N 4. - P. 461467.

13. Югов В.А., Николашкин С.В., Игнатьев В.М. Связь температуры суб-авроральной нижней термосферы с солнечной активностью и фазами квазидвухлетних колебаний. // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. - Т.37. - N6. -С.108-112.

14. Югов В.А., Николашкин С.В., Игнатьев В.М. Связь температуры средней атмосферы с солнечной активностью и фазами КДК на субаврораль-ных широтах. // Геомагнетизм и Аэрономия. 1997. - Т.37. - N1. - С.141-146.

15. Югов В.А., Николашкин С.В., Игнатьев В.М. Связь температуры суб-авроральной мезопаузы и нижней термосферы с температурой полярной стратосферы во время зимних сильных потеплений. // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. - Т.38. - N1. - С.115-121.

16. Hernandez G. Lower Thermosphere Temperature Determined from the line Profiles of the OI 17,924-K (5577 A) Emission in the Night Sky 1. Long-Term Behavior // J.Geophys.Res. -1976. V.81. - P.5165-5172.

17. Hernandez G. Lower Thermosphere Temperature Determined from the line Profiles of the OI 17,924-K (5577 A) Emission in the Night Sky 2. Interaction with the Lower Atmosphere during Stratospheric Warmings // J.Geophys.Res. -1977. V.82. - P.2127-2131.

18. Shepherd G., Zhang S., Wang X. Variability in MLT Dynamics and Species Cocentration as observed by WINDII // Earth Planet Space. 1999. - V51. -P.845-853.

19. Hays P.В., Killeen Т., Kennedy B.C. The Fabry-Perot Interferometer on Dynamics Explorer // Space Sci Instr. 1981. - V 5. - P. 395-416.

20. Игнатьев B.M., Югов В.А. Фотографический интерферометр Фабри-Перо // Бюллетень научно-технической информации. Проблемы космофизики и аэрономии. Якутск: Якутский филиал СО АН СССР, апрель 1978 г. - С. 34-35.

21. Игнатьев В.М., Югов В.А., Атласов КВ. Интерферометр Фабри-Перо с пьезоэлектрической системой сканирования // Бюллетень научно-технической информации. Проблемы космофизики и аэрономии. Якутск: Якутский филиал АН СССР. - апрель 1978 г. - С. 32-33.

22. Hernandez G. A High Luminosity Spectrometer for night Airglow Studies // Applied Optics. 1970. - V. 9, N 5.- P. 1225-1227.

23. Hernandez G., Mills O.A. Feedback Stabilized Fabry-Perot Interferometer //Applied Optics. 1973.-V. 12, N l.-P. 126-130.

24. Hillard R.H., Shepherd G.G. Upper Atmosphere Temperatures from Doppler Line Widths. IV. A Detailed Study Using the OI. 5577 A Auroral and Nightglow Emission // Planet. Space Sci. - 1966. - V. 14, N 3. - P. 383-406.

25. Sipler D.P., Biondi M.A. Interferometric Studies of the Twilight and Nightglow Sodium D-Line Profiles // Planet Space. Sci. 1978. V. 26, N 1. - P. 65-73.

26. Игнатьев B.M., Николашкин С. В., Югов В.А., Авксентьев А.Г., Ам-мосов П. П. Светосильный спектрометр Фабри-Перо. // Приборы и техника эксперимента. 1998. - № 4. - С. 107-110.

27. Ignatyev V.M., Nikolashkin S.V. High Luminosity Fabry-Perot Spectrometer for Study the Upper Atmosphere Temperature and Dynamics // Physics of Auroral Phenomena. Proc. of the 21st Annual Seminar. Apatity. 24-27 March 1998. Apatity. 1998. P. 45-47.

28. Жакино П. Последние достижения интерференционной спектроскопии // УФИ. 1962. - Т. 78, вып. 1. - С. 122-166.

29. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В. Реальный интерферометр Фабри-Перо. -Л.: "Машиностроение", 1983 176 с.

30. Калитеевский Н.И., Чайка М.П. Интерферометр Фабри-Перо и некоторые его приложения в спектроскопии // Спектроскопия газоразрядной плазмы. -Л.: Наука, 1970. 362 с.

31. Коломийцев Ю.В. Интерферометры- Л.: "Машиностроение", 1976296 с.

32. Миберн Дж. Обнаружение и спектрометрия слабых источников света.-М.: Мир, 1979.-304 с.

33. Скоков И.В. Многолучевые интерферометры- М.: "Машиностроение", 1969.

34. Толанский С. Спектроскопия высокой разрешающей силы М.: изд-во иностр.лит, 1955.-436 с.

35. Atherton P.D., Reay N.K., Ring J, Hicks T.R. Tunable Fabry-Perot filters // Optical Engineering.- 1981.- vol. 20, N 6.- P. 806-814.

36. Blamont J.E., Luton J.N. Geomagnetic Effect on the Neutral Temperature of the F-Region During the Magnetic Storm of September, 1969 // J. Geophys. Res. 1972. - V. 77, N 19. - P. 3534-3556.

37. Chabbal R. Finesse Limite d'un Fabry-Perot forme de Lames Imparfaites. // Journal de Physique et le Radium 1958 - Tome 19 - P. 295.

38. Chabbal R. Le spectrom Fabry-Perot Integral // Journal de Physique et le Radium.- 1958.- T. 19, N 3.- P. 246-255.

39. Chabbal R. Recherche des meillenres conditions d'utilisation dun spectrometre photoélectrique Fabry-Perot // Journal des Recherches du C.N.R.S-Paris. 1953,-N24.-P.138-186.

40. Hernandez G. Analytical Description of a Fabry-Perot Photoelectric Spectrometer // Appl. Opt. 1966. - V. 5, N 11, - P. 1745-1748.

41. Hernandez G. Analytical Description of a Fabry-Perot Photoelectric Spectrometer. 2: Numerical Results // Appl. Opt. 1970. - V. 9, N 7. - P. 15911596.

42. Hernandez G. Analytical Description of a Fabry-Perot Photoelectric Spectrometer. 3: Off Axis Behavior and Interference Filters // Appl. Opt. 1974. -V. 13,N 11.-P. 2654-2661.

43. Хект Д.H., Кристенсен А.В., Пранке Д.В. и др. Спектрометр с интерферометром Фабри-Перо для исследования полярных сияний и свечения атмосферы // Приборы для научных исследований. 1986, N 2. - С. 106-115.

44. Ветохин С.С., Гулаков И.П., Перцев А.Н., Резников И.В. Одноэлек-тронные фотоприемники. Энергоатомиздат: М. - 1986. - 160 с.

45. Ишанин P.P. Приемники излучения оптических и оптикоэлектрон-ных приборов. JL: Машиностроение, 1986. - 174 с.

46. Соболев JJ.M., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. М.: Высшая школа, 1974. - 376 с.

47. Bates D.R. Forbidden oxygen and nitrogen lines in the nightglow // Planet. Space Sci. 1978. - V. 26, N 10.-P. 897-912.

48. Hernandez G. The Signature profiles of in the airglow // Planet.Space Sci., 1971.- vol. 19, N 5.- P. 467-476.

49. Hays P.В., Walker J.G.G. Doppler profiles of the 5577 A airglow // Planet.Space Sci, 1966.-vol. 14.-P. 1331-1337.

50. Killeen T.L., Hays P.B. Doppler Line Profile Analysis for a Multichannel Fabry-Perot Interferometer // Appl. Opt. 1984. - V.23, N 4, - P. 612-627.

51. Hays P.В., Roble R.G. A Technique Recovering Doppler Line Profiles from Fabry-Perot Interferometer Fringes of very Low Intensity // Appl. Opt. -1971. V.10, N 1. -P. 193-200.

52. Фишкова JI.M. Ночное излучение среднеширотной верхней атмосферы Земли. Тбилиси: Мецниереба, 1983. - 165 с.

53. Коробейникоеа М.В., Насыров Г.А. Исследования эмиссии ночного неба Х5511А за 1958-1967 гг. в Ашхабаде Ашхабад. Ылым, 1972. - 97 с.

54. Хвостиков И.А. Влияние атомарного кислорода на тепловой режим атмосферы в области мезопаузы // Бюл. Абастуманской астрофиз. обсерватории. 1968.-N 36. - С. 92-111.

55. Frederick J.Е., Rusch D.W., Victor G.A., Sharp W.E., Hays P.В., Brinton H.C. The 01 (X5577 A ) Airglow: Observations and Excitation mechanisms // J. Geophys. Res., 1976. - V. 81, N 22. - P. 3923-3930.

56. Fukuyama K. Airglow Variations and Dynamics in the Lower Thermosphere and Upper Mesosphere I. Diurnal Variations and its Seasonal Dependency // J.Atmos.Terr.Phys. - 1976. - V.38. - P.1279-1287.

57. Fukuyama K. Airglow Variations and Dynamics in the Lower Thermosphere and Upper Mesosphere II. Seasonal and Long-term Variations // J.Atmos.Terr.Phys. - 1977. - V.39. - P.l-14.

58. Fukuyama K. Airglow Variations and Dynamics in the Lower Thermosphere and Upper Mesosphere III. Variations During Stratospheric Warming Events // J.Atmos.Terr.Phys. - 1977. - V.39. - P.317-331.

59. Тарасенко Д.А. Структура и циркуляция стратосферы и мезосферы северного полушария. Гидрометеоиздат. - Л. - 1988. - 288 с.

60. Ракипова JI.P., Ефимова Л.К. Динамика верхних слоев атмосферы. -JL: Гидрометеоиздат, 1975. -256 с.

61. Кидиярова В.Г., Тарасенко Д.А., Щерба И.А. Роль волновых процессов в формировании температурного режима мезосферы в зимний период // Физика верхней атмосферы. Труды Центральной Аэрологической Обсерватории. - Вып. 160. - 1985. - С.34-38.

62. Labitzke К. The interaction between stratosphere and mesosphere in winter // J. Atmos. Sci. 1972. V.29. No 6. P. 1395-1399.

63. Shefov N. N. Relations between the hydroxy 1 emission of the upper atmosphere and stratospheric warming // Gerlands Beitr. Geophys. 1973. V.82 P. 111-114.

64. Кропоткина E. 77. Вариации мезосферных эмиссий в периоды стратосферных потеплений // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14. № 5. С. 922923.

65. Offermann D., Gerndt R., Lange G., Trinks 77. Variations of mesopause temperatures in Europe // Adv. Space Res. 1983. V.3 P. 21-23.

66. Matsuno T. A. A dynamical model of the stratospheric sudden warming // J. Atmos. Sci. 1971. V.28. No 6. P.1479-1493.

67. Geisler I. E. A numerical model of the sudden stratospheric warming mechanism // J. Geophys. Res. 1974. V.79. No 33. P. 4989-4999.

68. Walker J. D., Reed E. J. Behavior of the sodium and hydroxy 1 nighttime emissions during a stratospheric warming // j. Atmos. Sci. 1976. V.33. No 1. P. 118-130.

69. Matsuno T. Vertical Propagation of Stationary Waves in the Winter Northern Hemisphere // J.Atmos.Sci. 1970. -V.27. - P.871-883.

70. Charney J., Drazin P. Propagation of planetary scale disturbances from the lower into the upper Atmosphere // J.Geophys.Res. 1961. - V. 66. - N 1. - P. 83-110.

71. Ebel A., Dameris M., Hass H. et al. Vertical change of the response to solar activity oscillations with periods around 13 and 27 days in middle atmosphere // Ann. Geophys. 1986. V.4 P. 271-280.

72. Von Cossart G., Taubenheim J. Solar cycle and long-period variations of mesospheric temperatures // J. Atmos. Terr. Phys. 1987. V. 49. No 4. P. 303-307.

73. Hood H. H. Solar ultraviolet induced variations in the stratosphere and mesosphere // J. Geophys. Res. 1987. V.92. No 4. P. 876-887.

74. Keeting G. M., Pitts G., Brausseur G. et al. Respons of middle atmosphere to short-term ultraviolet variations: 1. Observations // J. Geophys. Res. 1987. V.92. No 4. P. 889-895.

75. Ramakrishna S., Seshamani R. The effect of solar activity on temperatures in the equatorial mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1973. No 9. P. 1631-1641.

76. Mohanakumar K. An investigation of the influence of solar cycle on mesospheric temperature // Planet. Space Sci. 1985. V.33. No 7. P. 795-805.

77. Labitzke K. Sunspots, the QBO and stratospheric temperature in the North polar region // Geophys. Res. Lett. 1987. V.14. No 14. P.535-537.

78. Labitzke K., Chanin M. L. Changes in the middle atmosphere in winter related to the 11-year solar cycle // Ann. Geophys. 1988. V.6. No 6. P. 643-644.

79. Labitzke K., Van Loon H. Association between the 11-year solar cycle, the QBO and atmosphere. Part 1.: the troposphere and stratosphere of the Northern Hemisphere in winter // J. Atmos. Terr. Phys. 1988. V.50. No 3. P. 197-206.

80. Chanin M. L. A review of the 11-year solar cycle and atmosphere relationship // Handbook for MAP. Middle Atmosphere Program. 1989. V.29. Part l.P. 27-30.

81. Neumann A. QBO and solar activity effects on temperatures in the mesopause region // J. Atmos. Terr. Phys. 1990. V.52. No3. P. 165-173.

82. Sprenger K., Schminder R. Solar cycle dependence of winds in lower ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1969. V.31. No l.P. 217-221.

83. Казимировский Э. С., Кокоуров В. Д. Движения в ионосфере. Новосибирск: Наука. 1979. 344 с.

84. Казимировский Э. С. Динамический режим нижней термосферы над Восточной Сибирью // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука. 1980. Вып. 51. С. 104-110.

85. Dartt D., Nistrom G., Belton A. Seasonal and solar cycle wind variations, 80-100 km // J. Atmos. Terr. Phys. 1983. V.45. No 10. P. 707-718.

86. Портнягин Ю. К, Шпренгер К., Лысенко И. А. и др. Измерения ветра на высотах 90-100 км наземными методами. Л.: Гидрометеоиздат. 1988. 344 с.

87. Казимировский Э. С., Жовтый Е. И., Гайдуков В. А. и др. Влияние солнечной активности на ветровой режим нижней ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30, № 6. С. 1027-1029.

88. Chanin М., Keckhut P., Hauchecorne A., Labitzke К. The Solar Activity -Q.B.O. Effect in the Lower Thermosphere // Ann. Geophys. 1989. - V.7. -P.463-470.

89. Shefov N.N. Hydroxyl Emissions on the Upper Atmosphere -I. The Behaviour during a Solar Cycle, Seasons and Geomagnetic Disturbances // J.Geophys.Res. -1969. V.17. - P.797-813.

90. Шефов H.H. Некорпускулярная природа ионосферного потепления, возникающего на средних широтах после геомагнитных бурь // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Советское радио, 1978. - N27. - С. 3644.

91. Ramakrishna S., Seshamani R. Mesospheric Temperature Response to Variations in Geomagnetic Activity // Planet.Space Sci. 1973. - V.21. - P. 14471453.

92. Mayr H.G., Volland H. Composition waves in the thermosphere // J.Geophys.Res. -V.81. 1976. P. 671-676.

93. CIRA-86, COSPAR International Reference Atmosphere. AkademieVerlag, Berlin. 1986. - 450 p.

94. Hedin A.E. Extension of the MSIS Thermospheric Model into the Middle and Lower Atmosphere // J.Geophys.Res. -1991. V.96. - P.l 159-1172.

95. Hedin A.E. MSIS-86 Thermospheric Model // J.Geophys.Res. -1987. -V.92. P.4649-4662.

96. Hedin A.E., Reber G.A., Newton G.P. et al. A Global Thermospheric Model Based on Mass-Spectrometer and Incoherent Scatter Data. MSIS. 2. Comparison // J. Gedphys. Res. 1977. - V. 82, N 16. - P. 2148-2156.

97. Hedin A.E., Salah I.E., Evans I. V. et al. A Global Thermospheric Model Based on Mass-Spectrometer and Incoherent Scatter Data. MSIS. 1. N2 Density and Temperature // J. Geophys. Res. 1977. - V. 82, N 16. - P. 2139-2147.

98. Семенов A.M. Температурный режим нижней термосферы по эмиссионным измерениям в течение последних десятилетий // Геомагнетизм и Аэрономия. 1996. -Т.36. -N5. - С.90-97.

99. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 557,7 нм в ночное время. 1. Интенсивность // Геомагнетизм и Аэрономия. 1997. - Т.37. -N2. - С.81-90.

100. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 557,7 нм в ночное время.2. Температура // Геомагнетизм и Аэрономия. 1997. - Т.37. -N3. - С. 143-147.

101. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 557,7 нм в ночное время.3. Высота излучающего слоя // Геомагнетизм и Аэрономия. 1997. - Т.37. -N4. - С.105-111.

102. Nikolashkin S. V., Ignatyev V. M., and Yugov V. A. Relationship the Subauroral Middle Atmosphere Temperature with Solar Activity and QBO Phases (JSA20/W/43- A4 1200-23)// Abstracts IUGG 99, week A, 19-24 July 1999, Birmingham. 1999. -P.A106.

103. Ignatyev KM., Nikolashkin S.V. Response of the Subauroral Lower Thermosphere and Mesopause Temperature on Polar Stratospheric Strong Winter Warming // J.Atmos.Solar.Terr.Phys. V.62. - 2000 (в печати).

104. Ignatyev V.M., Nikolashkin S.V. Solar Activity and QBO Influence on the Temperature Regime of Subauroral Middle Atmosphere. // J.Atmos.Solar.Terr.Phys. V.62. - 2000 (в печати).

105. Егорова JI.B. Характер взаимосвязи квазидвухлетних вариаций в спорадической ионизации слоя Es и в стратосферной циркуляции нейтральной атмосферы// Геомагнетизм и Аэрономия. 1996. - Т.36. - N5. - С. 162166.

106. Roble R.G., Diskinson R.E., Ridley Е.С. Seasonal and Solar Cycle Variations of the Zonal Mean Circulation in the Thermosphere // J. Geophys. Res. 1977. - V. 82, N 35. - P. 5493-5503.

107. Игнатьев B.M., Самсонов В.П., Югов В.А. Выходная диафрагма спектрометра Фабри-Перо // Авторское свидетельство N 14455361 от 10.06.86.

108. Азляров А.А., Баранов Ю.В., Глуховский Б.И. и др. Характеристики ФЭУ-147-3 в режиме счета фотонов // ПТЭ. N 6. - 1990. - С. 129-130.

109. Орлов Р.В., Янсон У.В., Вейланд Я.Т. Схема счета фотонов на высокочастотном компараторе 521СА2 // ПТЭ. -N 4. 1977. - С. 123-124.

110. Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. Энергоатомиздат. JI. - 1986. - 208 с.

111. Неформальное введение в С++ и Turbo Vision. Галерея. «Петро-поль».- 1992.-384 с.

112. Нортон П. Персональный компьютер фирмы IBM и операционная система MS-DOS. Радиосвязь. - М. - 1991. - 416 с. (пер. с англ.).

113. Кузьмин А.К., Пономарев Ю.Н., Синицын В.М. Анализ контура измеренного ионфокальным интерферометром Фабри-Перо // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Советское радио, 1977. - N25. - С. 76-92.

114. Kellog W. W. Chimical Heating Above the Polar Mesopause in Winter // J. Meteor.- V 15.-1961.-P. 373-381.

115. Labitzke K. A Note from Working Group 5.1 DECADAL (Decadal Atmospheric Variation Project)// Solar - Terrestrial Energy Program. June, 1994. V.4. N6. P. 1-2.

116. Myrabo H.K., Deehr C.S. Polar cap OH airglow rotational temperatures at the mesopause during a stratospheric warming event // Planet. Space Sci. 1984. V.32.N7. P. 853-856.

117. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. JL: Гидрометеоиздат. -1987. -272 с.

118. Атласов К. В., Борисов Г. В., Игнатьев В. М. и др. Вращательные температуры полос гидроксила (9,3) и (6,1), измеренные над Якутском в 1965-1970 годах // Физика верхней атмосферы высоких широт. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1975. Вып. 3. С. 174-186.

119. Синоптический бюллетень. Северное полушарие. 4.I-II. Госком-гидромет СССР. Обнинск. 1961-1991 гг.

120. Rees D. Upper Atmosphere Neutral Temperature Profiles in the Auroral Zone // Planet. Space Sci. 1971. - V. 15, N 2. - P. 233-242.

121. She C.Y., Lowe R.P. Seasonal Temperature Variations in the Mesopause Region at Mid-latitude: Comparison of Lidar and Hydroxyl Rotational Temperatures Using WINDII/UARS OH Height Profiles // J.Atmos.Solar.Terr.Phys. -1998. -V.60.-P.1573-1583.

122. She C.Y., YuJ.R., Chen H. Observed Thermal Structure of a Midlatitude Mesopause // Geophys.Res.Lett. -1995. V.20. - P.567-570.

123. Kirkwood S. Lower Thermosphere Mean temperatures, Densities, and Wind Measured by EISCAT: Seasonal and Solar Cycle Effects // J.Geophys.Res. -1996. -V.101. -P.5133-5148.

124. Nordberg W., Katchen J., Theon J.S., Smith W.S. II J. Atmos. Sci. -1965.-V.22.-P.611.

125. Холтон Дж. P. Динамическая метеорология стратосферы и мезо-сферы. Гидрометеоиздат. - JI. - 1979. - 224 С.

126. Cole K.D. Joule Heating of the Upper Atmosphere // Austral. J. Phys. -1962. V. 15, N 2. - P. 342-348.

127. Richmond A.D. Thermospheric heating in a magnetic storm: Dynamic transport of energy from High to low Latitudes // J. Geophys.Res. 1979. - V. 84. -P. 5259-5266.

128. Полосков C.M., Туликов Г.Ф., Шанэн M.A. О корпускулярной природе эффектов нагрева полярной термосферы // Доклады АН СССР. 1974. -Т. 218,N23.-С. 573-575.

129. Holton J. R. The Dynamic Meteorology of the Stratosphere and Mesosphere // Amer. Meteor. Soc., 1975, 216 pp.

130. Ярин В. И. Эмиссия ОН по наблюдениям в Якутске // Спектральные, электрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. М.: АН СССР, 1961. №5. С. 10-17.

131. Fraser G.J. Seasonal Variations of Southern Hemisphere Mid-latitude Winds at Altitudes of 70-100 nm // J.Atmos.Terr.Phys. V.30. - N 5. - 1968. - P. 707-719.

132. Rees D. Ionospheric Winds in the Auroral Zone // J.Brit.Interplanet.Soc. -V.24.-1971.-P. 233.

133. Murgatroyd R.J. Winds in the Mesosphere and Lower Thermosphere // Proc.Roy.Soc.-V.288.-1965.-N 1415.-P. 575-589.

134. Бютнер Э.К., Дмитриева Л.К. О распределении атомного кислорода в зимней полярной мезосфере // Геомагнетизм и Аэрономия. 1968. -Т.8. - N4. - С.688-696.

135. Жадин Е.А., Криволуцкий А.А. Коэффициент турбулентной диффузии в мезосфере и нижней термосфере // Теоретические вопросы физики верхней атмосферы. -М.: Гидрометеоиздат, 1973, вып. 115. С. 3-9.

136. Young С., Epstein E.S. Atomic Oxygen in the Polar Winter Mesosphere // J.Atm.Sci. V.19. - 1962. -N 6. - P. 435^49.

137. Шефов H.H. Солнечная активность и приземная циркуляция как соизмеримые источники вариаций теплового режима нижней термосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. - Т. 25, N 5. - С. 846-849.

138. Hall L.F., Higgens J.E., Chagnon C.W., Hintereger H.E. Solar Cycle Variation of Extreme Ultraviolet Radiation // J.Geophys.Res. -1969. V.74. -P.4181-4183.

139. Kato S. Joule Heating and Temperature in the Upper Atmosphere // Planet. Space Sci. 1968. - V. 9, N 8. - P. 1120-1126.

140. Richmond A.D., Matsushita S. Thermospheric Response to a Magnetic Substorm // J. Geophys.Res. 1975. - V. 80, N 19. - P. 2839-2850.

141. Sipler D.P., Luokkala B.B., Biondi M.A. Fabry-Perot Determinations of Midlatitude F-Region Neutral Winds and Temperatures from 1975 to 1979 // Planet. Space Sci. 1982.-V. 20, N 10.-P. 1025-1032.

142. Sipler D.R., Biondy M.A. Midlatitude F-Region Neutral Winds and Temperatures During the Geomagnetic Storm of March 26, 1976 // J. Geophys. Res. 1979. - V. 84, N 1. - P. 37-40.

143. Герман Д.Р., Голдберг P.А. Солнце, погода и климат. Гидроме-теоиздат. - JI. - 1981. - 320 с.

144. Рубашев Б.М. О нагревании верхних слоев атмосферы Земли во время магнитных бурь // Известия Глав, астрон. обсерв. 1958. - Т. 20, вып. 6, N159.- С. 38-42.

145. Трунковский Е.М., Семенов А.И. Интерферометрические измерения температуры верхней атмосферы. IV. Анализ фотографических интерферо-грамм. В кн: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Советское радио, 1978. - N 27. - С. 66-84.

146. Швед Г.М. О роли свечения неба в охлаждении атмосферы вблизи мезопаузы // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. - Т. 12, вып. 2. - С. 564-565.

147. Фильтр № ГЗ-1 22.11.99 угол 3 град. Т=64,5%56505700

148. Характеристики рабочего интерференционного фильтра 557,7 нм

Информация о работе

Николашкин, Семен Викторович
кандидата физико-математических наук
Якутск, 2000
ВАК 04.00.23

Диссертация

Интерферометрическое исследование вариаций температуры субавроральной нижней термосферы - тема диссертации по геологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы