Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование вариаций температуры и состава малых газовых компонентов ночной мезопаузы по излучению молекул гидроксила

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование вариаций температуры и состава малых газовых компонентов ночной мезопаузы по излучению молекул гидроксила"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ им. А.М. Обухова

На нравах рукописи УДК 550.388

Баканас Владимир Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОСТАВА МАЛЫХ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ НОЧНОЙ МЕЗОПАУЗЫ ПО ИЗЛУЧЕНИЮ МОЛЕКУЛ ГИДРОКСИЛА

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова Российской академии наук

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук Семенов А.И.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Еланский Н. Ф.

Кандидат физико-математических наук Алпатов В. В.

Ведущая организация:

Институт космофизических исследований и аэрономии Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится "¡8 " 2004 г. в // часов

на заседании Диссертационного совета К 002.096.01 в Институте физики атмосферы им А.М Обухова РАН по адресу: 119017, г. Москва, Пыжевский пер., д. 3.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета .,

кандидат географических наук Краснокутская Л.Д.

Ш/

тонъъ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С момента обнаружения и отождествления гидроксильного излучения в середине 20-го столетия оно стало предметом интенсивных исследований, поскольку, имея большую энергетику (~1 эрг/смг с), оно информативно отображает процессы преобразования энергии в области мезопаузы, поглощаемого УФ излучения Солнца в области спектра короче 240 нм. Наблюдаемые разнообразные вариации характеристик гидроксильного излучения позволяют получать сведения не только о свойствах молекулярных процессов, но и использовать их для изучения состояния земной атмосферы.

Наземные наблюдения колебательно-вращательных полос гидроксильного излучения используются для исследования температурного режима, динамики и газовых составляющих в области верхней мезосферы и нижней термосферы (80 - 100 км). Гидроксильное излучение одно из самых значимых в верхней атмосфере. Эта его особенность обусловлена тем, что оно обладает несколькими такими важными для исследования процессов в среде атмосферы параметрами, как равновесная вращательная температура (ГД отображающая температуру окружающей среды на высотах свечешм гидроксила, и колебательная температура (Т,) , характеризующая процессы образования возбужденных молекул гидроксила и их дезактивации, и интенсивность I- индикатор скоростей процессов преобразования энергии.

За последние десятилетия резко возросла роль антропогенного влияния на атмосферу, верхняя часть (>80 км) которой является особенно чувствительной на возникающие изменения ее химического состава. Индикатором этих процессов служат различные оптические излучения, отображающие эти изменения, что позволяет осуществлять их регистрацию с поверхности Земли. Наиболее информативным излучением в верхней атмосфере является гидроксильная эмиссия, позволяющая исследовать закономерности поведения большого комплекса агрономических параметров верхней атмосферы. Все это и обусловливает актуальность проведения таких исследований.

Целью работы является исследование одновременных вариаций вращательной температуры полос гидроксила (ОН) с различным колебательным возбуждением и распределения населенностей по колебательным уровням, которое может быть аппроксимируемо в простейшем случае Больцмановским распределением, а также одновременного поведения ингенсивностей полос ОН, как средства получения данных для исследования структурных параметров верхней атмосферы и их вариаций различного временного масштаба для различных гелио-геофизичсских условий.

Поставленная цель требовала решения следующих задач:

РОС •

НА.П.НАЯ

* Í мз

(

2<ю6Р;

1. Разработать и изготовить комплекс спектрографической аппаратуры, обеспечивающей регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила в ночном собственном свечении верхней атмосферы в оптическом и ближнем ИК диапазонах.

2. Проведение одновременных измерений в нескольких участках спектра, позволяющих максимально охватить все возможные возбужденные уровни молекулы ОН (от 3-го до 9-го). Наблюдения должны были регулярно выполняться в течение различных сезонов года.

3. Накопление с помощью проведенных измерений экспериментальных данных о характеристиках гидроксильного излучения с различных колебательных и вращательных уровней.

4. Анализ экспериментального материала для выявления вариаций характеристик излучения гидроксила различного временного масштаба (несколько минут, в течение ночного времени суток, в течение сезонов года и т.д.) и закономерностей различий вращательной температуры для разных колебательных уровней, взаимосвязи полученных данных с другими характеристиками средней атмосферы.

Научная новизна и основные результаты работы

1. Проведены спектрографические наблюдения гидроксильного излучения в спектральной области 0.62 - 1.05 мкм. Впервые на основе этих одновременных наблюдений всего набора полос излучения молекулы гидроксила с третьего по девятый колебательные уровни основного электронного состояния определены абсолютные интенсивности всех полос с различным колебательным возбуждением, вращательные температуры и населенности всех колебательных уровней ОН.

2. Впервые на основе результатов измерений излучения верхней атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра для конкретных гелио-геофизических условий получено спектральное распределение интенсивности излучения в абсолютных фотометрических единицах рэлей (Рл), которое является современной версией *Атласа спектра излучения среднеширотной ночной атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра»

3. Выявлены новые закономерности в сезонных вариациях интенсивности излучения и вращательной температуры гидроксильного излучения с различным колебательным возбуждением.

4. Впервые проведены в одной области атмосферы одновременные наземные измерения излучений гидроксила и озона в области мезопаузы. На основе анализа полученных данных определены на высотах мезопаузы (80-90 км) температура, общая концентрация молекул азота и кислорода, концентрация озона, атомарного водорода и кислорода.

5. Построена модель сезонных вариаций высотного распределения озона на высотах 80100 км для условий высокой и низкой солнечной активности

6. Определены статистические характеристики сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы.

Достоверность полученных результатов обеспечена калибровкой интенсивности излучения с точностью ~ 1% и вращательных температур, определяемых с точностью 2 К, большим объемом материалов наблюдений и использованием стандартных методов статистической обработки результатов измерений.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований были применены для определения ряда структурных параметров средней атмосферы, коррекции данных многолетних изменений ее температуры, а также при разработке модели высотных распределений температуры и плотности. Они могут быть использованы для уточнения некоторых деталей механизмов возникновения гидроксильного излучения, связанных с его высотных распределением.

На защиту выносится:

1. Изготовление комплекса спектрографической аппаратуры, обеспечивающий регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила в ночном собственном свечении верхней атмосферы в оптическом и ближнем ИК диапазонах. Он позволяет проводить одновременные измерения в нескольких участках спектра, для регистрации всех возможных возбужденных уровней молекулы ОН (от 3-го до 9-го).

2. Создание современной версии атласа излучения среднеширотной ночной верхней атмосферы, с распределением интенсивности в абсолютных единицах (рэлей) для области спектра 620-1050 им.

3. Выявление некоторых особенностей сезонного поведения характеристик гидроксильного излучения для исследования температурного режима, динамики и газовых составляющих в области верхней мезосферы и нижней термосферы.

4. Разработка методики и представление результатов определения наиболее полного ряда атмосферных параметров (температура, общая концентрация N2 и Оь концентрации Оз, О, Н, ОН (у)) для области ночной мезопаузы, на основе одновременных наземных измерений излучения озона в миллиметровом (ММ) диапазоне и излучения гидроксила в ближней инфракрасной (ИК) области.

5. Модель высотного распределения озона im высотах 80-100 км, построенная на основе опубликованных ракетных высотных распределений интенсивности полос ОН, а также температуры средней атмосферы на высотах 30-110 км.

6. Получение статистических характеристик сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы. Проведенный анализ экспериментальных данных позволил выявить сезонные тренды температуры.

Личный вклад. Работа выполнялась в течение 1999 - 2003 г.г. в ходе проведения плановых работ Института физики атмосферы им. А.М. Обухова (ИФА) РАН. Автором проведены комплексные спектрографические наблюдения на Звенигородской научной станции ИФА РАН. Автор принимал непосредственное участие в постановке исследовательских задач, обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, докладывались на 25111 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena". Apatity. 26 Febiuary-01 March 2002, на 34tfa Научной Ассамблее COSPAR (Houston, TX, USA, October 12-19, 2002), на Международном симпозиуме по динамике и химии области мезосферы и нижней термосферы (PSMOS 2002. International Simposium on Dynamics and Chemistry of the MLT Region). (Foz do Iguacu, Brazil, October 4-8, 2002), на 26е" Annual Seminar "Physics of auroral phenomena". Apatity. 25-28 February 2003, на 7-й Всероссийской конференции молодых ученых «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере», 13-15 мая 2003, г. Нижний Новгород, на Международной конференции «Околоземная астрономия - 2003», 8-13 сентября, 2003 г., и на семинарах Отдела теории климата и Лаборатории физики верхней атмосферы ИФА РАН.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 151 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок и 10 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая ценность, обосновывается достоверность полученных результатов, описана структура диссертации, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой глав« представлен обзор современного состояния исследований излучения колебательно-вращательных полос молекул гидроксила мезопаузы.

Гидроксил (ОН) является малым компонентом земной средней атмосферы с

максимальной концентрацией и общим содержанием соответственно ~ 107 см"* и ~ 101г см"1. Молекулы ОН (Х2П), возникающие в результате экзотермических реакций, находятся в колебательно-возбужденном состоянии и имеют радиационное время жизни 10 "2- 10"3 с. На высотах ниже 75 км это состояние практически полностью гасится в столкновениях с окружающими атмосферными молекулами. Только в области мезопаузы (85 - 90 км) и выше ее, где частота столкновений относительно низкая, часть возбужденных молекул гидроксила испытывает радиационные переходы, которые и образуют колебательно-вращательные полосы излучения с общей интенсивностью 1,5 - 2,0 МРэлей (1 Рэлей = 106 фотон-см"2 • с"1), охватывающие спектральную область от 0,5 до 5 мкм.

С момента идентификации этих полос в свечении атмосферы Земли основное внимание исследователей, занимающихся проблемами гидроксильного излучения, было сосредоточено на четырех направлениях:

1) на выяснении механизма возбуждения различных колебательных уровней молекулы гидроксила в верхней атмосфере, а также роли и степени важности каждого фотохимического процесса в нем;

2) на исследовании высотного распределения эмиссионного слоя и его особенностей временного и пространственного (широтного) изменения для полос ОН с различных исходных колебательных уровней;

3) на определении температуры мезопаузы по распределению интенсивности излучения внутри вращательной структуры полос и изучении закономерностей ее пространственно-временных вариаций различного масштаба, обусловленных как волновыми процессами, так и многолетними климатическими;

4) на изучении природы пространственно-временных изменений характеристик гидроксильного излучения атмосферы.

Во второй главе описана используемая спектрографическая аппаратура, калибровка, принцип регистрации и обработки спектров, условия наблюдений, а также методы определения интенсивности, вращательной температуры и их погрешностей.

В наблюдениях за атмосферным гидроксильным излучением на Звенигородской станции использовался дифракционный спектрограф СП-50, оснащенный приемником излучения ВЧвТАЭРЕСГУ .

Калибровка аппаратуры проводилась с помощью телескопа ЦЕЙС 600, в Астрономическом институте им. П.К. Штернберга по спектру излучения звезды а Возничего ввШ. Поскольку спектр распределения энергии звезды и его абсолютная энергетика на границе земной атмосферы известны, то это позволило определить спектральное распределение энергии эталонной лампы в Релеях. Спектр эталонного источника был

получен на спектрографе СП-50, и таким образом, была получена калибровочная кривая, позволяющая получать спектры ночного неба в абсолютных величинах.

Обработка сигнала осуществлялась с помощью стандартного программного приложения 1пз1аБрес.

Каждая спектрограмма сохранялась как матрица состоящая из 128 строк по 1024 числа в каждой из них. Каждое число представляет собой разность сигнала Д1 - 1к - 1ф, зарегистрированного от неба (1К) соответствующей ячейкой матрицы приемника и темнового (фонового) сигнала (1ф) той же ячейки, зарегистрированного непосредственно перед сеансом наблюдения после установления требуемого температурного режима приемника.

Значения в столбцах ранжировались по величине, затем отбрасывалась четверть наименьших и четверть наибольших из них. Такая операция позволяла удалить влияние горячих и холодных пикселей. Оставшаяся половина зарядов усреднялась. Полученный заряд одновременно корректировался на спектральную чувствительность прибора и преобразовывался в величину абсолютной интенсивности в единицах рэлсй с помощью предварительно найденной функции калибровки.

Вращательная температура определялась по отношению интенсивностей нескольких линий полосы излучения гидроксила.

Для определения вращательной температуры использовались полосы ОН (3-0), (6-2) и (9-4), свободные от влияния селективного поглощения земной атмосферой, и расположенных в спектральной области 0.8 - 1.0 мкм.

Анализ полученных данных показал, что соотношение сигнала к шуму является не ниже 100, что дает аппаратурную погрешность измерения интенсивности рассматриваемых линий менее 1% Погрешность определения вращательной температуры в настоящей работе составила около 2 К.

Спектральные наблюдения проводятся на Звенигородской научной станции ИФА РАН (Московская область) с 1955 по настоящее время. Географические координаты Звенигородской обсерватории составляют 55,7е N и 36,8е Е. В зависимости от поставленных научных задач наблюдения могли осуществляться как в зенит, так и на различных зенитных расстояниях (0 - 60е) и при различных азимутальных направлениях.

Третья глава посвящена результатам исследований и их анализу.

В параграфе 3.1 представлены результаты измерений излучения верхней атмосферы для конкретных гелио-геофизических условий в абсолютных фотометрических единицах рэлей (Рл).

На рис. 1 представлены примеры изображения спектров с разрешением 0.4 нм в диапазоне длин волн 620-1050 нм и их регистре граммы. Спектры получены 19 сентября

2000 г. с экспозицией 10 минут На регистрограммах для каждого участка спектра произведен учет спектральной чувствительности прибора Спектральное распределение интенсивностей наблюдаемых эмиссий приведено к зениту и дано в рэлеях/нм. Это распределение обусловлено эмиссиями молекулы гвдроксила, молекулы кислорода (Атмосферная полоса (0-1) 864.5 нч) и континуумом (результат фотохимического процесса N0 + О), а также атома кислорода (О('Р) 630.0 - 636.4 нм). Некоторый вклад в континуум возможен вследствие рассеяния в атмосфере излучения искусственных источников света Интенсивности молекулярных и атомарных линий сведены в таблицу.

Данные в ней значения в рэлеях можно пересчитать в энергетические единицы по формуле:

I (эрг/см2-стерад-с) = 1.98-10"9 1(рэлей)/ X (им).

Относительная погрешность измерения интенсивностей составляла 1% Это позволяет определять вращательную температуру с погрешностью ~2 К.

! - ЧяР-») | I

ИМИ ш

740 760 780 800

Длина волны, нм

Длина вхыы, нм

Рис. 1 Спектр излучения ночной верхней атмосферы в области 620-1020 нм

Таким образом, полученное спектральное распределение интенсивности собственного излучения верхней атмосферы Земли в абсолютных единицах (рэлей) для области спектра 620-1050 нм со спектральным разрешением 0.4 нм является современной версией атласа излучения среднеширотной ночной верхней атмосферы. Главное достоинство представленных спектров состоит в легко доступной возможности оценки абсолютной интенсивности излучения в заданных узких интервалах спектра. Это позволяет исключить

фоновое излучение неба, для выявления слабых внеатмосферных источников излучения. Кроме того, эти данные при помощи эмпирических моделей, позволяют получить абсолютные оценки характеристик различных эмиссий верхней атмосферы, а также характеристик самой атмосферы.

В параграфе 3.2 исследованы некоторые особенности сезонного поведения характеристик гидроксильного излучения верхней атмосферы.

Для анализа использованы данные по распределениям интенсивностей колебательно-вращательных полос излучения ОН (3-0), (4-1), (6-2), (7-3) и (9-4) (полосы (5-1) и (8-4) не анализировались, вследствие частичного искажения распределения интенсивности внутри этих полос, обусловленного блеядированием соседними полосами ОН и поглощением водяным паром).

Для определения вращательных температур использовались структуры Р-ветвей полос

(3-0), (6-2) и (9-4).

Общепринятым считается, что начальное колебательное возбуждение молекул ОН возникает в основном в результате озоно-водородной реакции. Последующее перераспределение колебательной энергии идет за счет радиационных переходов и столкновений с окружающими атмосферными молекулами, скорости которых соизмеримы. Отсюда можно заключить, что вариации интенсивностей излучения с различных колебательных уровней пидроксила происходят синхронно, причем их амплитуды пропорциональны друг другу. Однако сравнение полученных интенсивностей показывает уменьшение корреляции между ними с ростом разности между колебательными уровнями, с которых возникает излучение. Так, коэффициент корреляции наиболее высок (г -0.93) между ингенсивностями полос (3-0) и (4-1) и значительно ниже между ингенсивностями полос (30) и (9-4) (г -0.62).

Анализ показывает, что данный эффект является следствием сдвига фаз годовых гармоник в вариациях характеристик излучения с высоких и низких колебательных уровней. Максимум годовой вариации и один из максимумов полугодовой вариации приходятся на зимнее солнцестояние. Другой максимум полугодовых вариаций - на летнее солнцестояние.

Годовые вариации интенсивности излучения с высоких колебательных уровней опережают вариации с низких колебательных уровней. Такое различие для девятого и третьего колебательных уровней составляет 36 суток. Фазы полугодовых гармоник близки, и подобной закономерности не наблюдается. На высоких колебательных уровнях (у > 5) годовые амплитуда составляют 16 - 19 % от соответствующих среднегодовых интенсивностей и в 2.5 раза больше полугодовых амплитуд. На нижних колебательных уровнях (у < 3) амплитуды годовых и полугодовых гармоник близки по величине (11 - 12 %

от среднегодовых интеисивностей). Сдвиг фаз, по-видимому, связан с действием не только озоно-водородного процесса, ответственного за возбуждение высоких колебательных уровней, во и перегвдроксильного механизма, обусловливающего дополнительное возбуждение нижних уровней у<6. Известно, что вклад их в общий процесс возбуждения молекулы ОН определяется сезоном года вследствие вариаций содержания атомарного кислороде.

На рис. 2 показаны вариации вращательных температур по наблюдениям в 2000 -2001гг. Фаза максимума годовой вариации температуры, также как и интенсивности, находится вблизи зимнего солнцестояния. Характер ее зависимости от колебательного уровня аналогичен характеру соответствующей зависимости для интенсивности. Однако максимумы полугодовых вариаций температуры и интенсивности находятся в противофазе.

280

120 180 2000 г.

300 1 во День года

180 240 2001 г.

360

Рис. 2 Вращательные температуры по наблюдениям в 2000 - 2001 г.г.

Треугольники и штриховая линия - температура, определенная по полосе (З-О), кружки и сплошная татя - температура, определенная по полосе (6-2), квадраты и штрихтгунхтирпая линия - температура, определенная по полосе (9-4).

Кроме тога, в отличие от интенсивности имеется зависимость фазы полугодовой гармоники вариаций температуры от колебательного уровня. Интересно отметить, что хотя среднегодовые температуры (от 199К до 202К), соответствующие различным колебательным уровням, слабо различаются, тем не менее различие температур, определяемых для высоких и низких колебательных уровней, становится более значительным (10 - 16 К) в периоды летнего и зимнего солнцестояния и осеннего равноденствия. Оно обусловлено различием фаз

к амплитуд годовых и полугодовых гармоник вариаций исследуемых температур.

Зависимость характеристик вариаций интенсивности излучения и вращательной температуры гидроксила от его колебательного уровня, вероятно, связана с некоторым расхождением по высоте слоев излучения с различных колебательных уровней ОН. Модельные расчеты высотного расхождения дают величину около 2 км. Ракетные данные свидетельствуют о более значительном высотном расхождении (до 5 км). Причем, это высотное расхождение имеет сезонный характер.

В случае ракетных данных о высотном расхождении при обычных для верхней мезосферы и нижней термосферы температурных градиентах от -5 до 5 К/км температурный перепад составляет не более 25 К. Полученные в работе максимальные температурные расхождения в10-16Кне превышают этой величины.

При рассмотрении нанесенных линиями на рис. 2 сезонных вариаций вращательных температур необходимо отметить особенность. С апреля по сентябрь температура, соответствующая шестому колебательному уровню, является меньшей из трех наблюдаемых температур (Т(у-9)>Т(у=6>сТ(у=3)). В октябре - ноябре наблюдается ситуация, когда Т(у-9>Т(у-6)>Т(у=3), а в период с января по март - Т(у-9)<Т(у=6)<Т(\г-=3). Из отмеченных изменений Знака температурного градиента в области излучения гидроксила можно заключить об изменении высоты мезопаузы в данные периоды года.

Главным результатом представленного исследования является возможность, используя эмпирическую модель вариаций характеристик излучения ОН, сопоставлять данные наблюдений гидроксильного излучения с любых колебательных уровней, полученных на различных станциях в различные времена года и с различными гелио-геофизическими условиями.

В параграфе 33 впервые на основе совместных одновременных наземных измерений излучения озона в миллиметровом (ММ) диапазоне (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН) и излучения гидроксила в ближней инфракрасной (ИК) области (ИФА РАН) разработана методика, и представлены первые результаты определения наиболее полного ряда атмосферных параметров для области ночной мезопаузы (температура, общая концентрация N2 и Оь концентрации О* О, Н, ОН* (у)).

Наблюдения радиоизлучения озона в стратосфере и мезосферс проводились с помощью спектрорадиометра миллиметрового (142.175 ГГц) диапазона волн. Точность определения концентрации озона на высотах излучения гидроксила составляет около 20 %.

Для регистрации спектров ночного излучения атмосферы в ближней инфракрасной области использовался спектрограф СП-50. Поле зрения прибора было направлено таким образом, чтобы центры областей визирования наблюдающих приборов (спектрографа и

радиометра, разнесенных друг от друга на ~ 60 км) совпали на высоте 87 км. Совместные измерения мезосферного озона и гидроксильного излучения проводились регулярно в ясные ночи холодного полугодия 2000-2003 гг В данной работе в качестве примера показаны результаты наблюдений в течение трех последовательных ночей: с 23 по 25 января 2001 г.

Анализируемые ночные измерения взяты как средние за 1.5 - 2 часа вблизи местной полуночи. На основании этих данных были рассчитаны температура и концентрации (см"5) атмосферных газовых компонентов- OH(v-8, 9), M(-N2+02), Оз, Н и О. Сравнение измеренных характеристик атмосферы с их модельными представлениями для заданных условий дает систематическое большое различие в температуре Измеренные значения температуры превышают ее модельные в среднем на 20 К. Сравнение модельных и измеренных концентраций газовых компонентов показывает их удовлетворительное согласие.

При анализе измеренных значений атмосферных характеристик обращают на себя внимание их межсуточные изменения, которые значительно превосходят соответствующие вариации в модели MSIS-90. Межсуточные вариации в этой модели в основном обусловлены введенной в нее зависимостью характеристик атмосферы от гелиогеофизических условий. По-видимому, основными причинами наблюдавшихся межсуточных изменений являются как гелиогеофизические изменения, так и волновые процессы с периодами от 2 до 28 суток, которые в справочных атмосферных моделях не учитываются.

В параграфе ЗА представлен алгоритм расчета вариаций высотного распределения концентраций озона на высотах 80-100 км в ночное время на основе высотных распределений температуры средней атмосферы на высотах 30-110 км, экспериментально полученных с помощью ракетных, спектрофотометрических и ионосферных методов, а также интенсивностей полос ОН.

Определение содержания озона по гидроксильной эмиссии производилось на основе его озоно-водородного механизма возбуждения. При этом использовались данные непосредственных измерений интенсивности излучения ОН и результаты ракетных измерений концентрации водорода на высотах 80-100 км Количество таких ракетных измерений невелико. Тем не менее, использование этих ракетных измерений позволило выявить тесную положительную корреляцию концентрации водорода с солнечной активностью, а также ее положительный многолетний тренд для периода 1959-1984 гг.

Это находит свое подтверждение в многолетнем росте содержания приземного метана, являющегося главным поставщиком водорода в верхнюю атмосферу. При этом тренды относительного роста концентрации атомарного водорода в области мезопаузы и метана в нижней атмосфере оказываются одинаковыми. Необходимо отметить, что существующие

модели MSIS-E-90 и CTRA-86, никак не учитывают этих обстоятельств. Поэтому при использовании модельных высотных профилей водорода была введена коррекция на уровень солнечной активности (Fi0.7 ) и многолетний тренд.

На рис. 3 представлены вычисленные среднемесячные высотные профили концентрации озона для различных условий солнечной активности- среднее для минимума -годы 1976 и 1986 гг. и среднее для максимума - годы 1980 и 1991 гг.

п(0,). ю1 «™

1 5 s(Oj), 10* сш '

Рис.3. Среднемесячные высотные распределения концентраций озона для условий высокой (F10.7 - 203, 1980 и 1991 гг.) - (В) и низкой (F10.7 -74, 1976и 1986гг.)-(А) солнечной активности. Масштаб указан для января на верхней шкале. В правой части показаны среднегодовые профили. Масштаб указан на нижней шкале.

Выбранные пары лет позволяют выявить наличие трендов и влияние уровня солнечной активности. Из сопоставления данных видно, что с ростом солнечной активности концентрация озона (в ночное время) уменьшается. Это является следствием положительной корреляции содержания атомарного водорода с уровнем солнечной активности, поскольку он является основным каталитическим разрушителем озона в процессе озоно-водородной реакции.

Сезонные вариации концентрации озона на различных высотах оказываются различными, содержание озона в столбе атмосферы N(03Xcm~2) на высотах 80-100 км также испытывает сезонные изменения После приведения данных о концентрации озона к одному постоянному значению F10.7 = 200 (максимум солнечной активности) и Fla7 - 74 (минимум), оказалось, что заметного различия многолетних трендов для отдельных месяцев года и их сезонных вариаций нет

В параграфе 3.5 представлены статистические характеристики сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы.

На основе анализа опубликованных данных многолетних измерений характеристик ряда эмиссий мезосферы и нижней термосферы (эмиссии ОН, N3 и О) были получены сведения о вариациях, различного временного масштаба, температуры на высотах этих атмосферных областей.

Спекгрофогометрические данные о температурном режиме на высоте 87 км получены по гидроксильной эмиссии. Данные о температуре вблизи 92 км получены на основе анализа поведения эмиссии атмосферного натрия. Согласно лидарным исследованиям имеется тесная корреляция между содержанием натрия в слое и температурой в максимуме его концентрации. Аналогичным образом, на основе данных многолетних наблюдений интенсивности излучения атомарного кислорода 557.7 нм и ее корреляции с температурой атмосферы на выооте излучающего слоя (-97 км), была сделана оценка поведения температуры в различные сезоны.

На рис. 4 представлены среднемесячные высотные профили температуры для двух пар годов минимума. (1976 и 1986 гг.) и максимума (1980 и 1991 гг.) солнечной активности, на которых можно проследить закономерности сезонного поведения температуры в этой области высот.

1 , —| —г- 1 < | 1 »76 1 ■'Т'Т^

_ 1 2 3 4 5 6 7 8 1т \\ Ъч)} ■ / / 9 10 1112 1 К 4 \\ 4 V IV

' | ( / //.

г . 1 г 1 . * . 1 1.1.1.

1 . , г --1 . | 1 | 1986 г г ' Г

1 2 34 3 < 7 89 10 И 12

Чин ч ; 1 — 1.. 1

-М! М • \ \ »

я' / \ 1 }/

1 I' ¡1 -

ш . ш \ 111 • 1.1^1 / / / 1.. 1 .< I/ /1 . 1.1.

Рис. 4. Высотные распределения среднемесячных значений температуры атмосферы для годов минимума (1976 и 1986гг.) и максимума (1980 и 1991 гг.) солнечной активности. Профиль температуры каждого месяца (цифры указывают номер месяца и год)

горизонтальной оси относительно предыдущего на 10 К Шкала температур относится к профилю для января.

1в0 200 270 74« 260 280 300 320 Темпер

180 200 220 240 280 280 300 320

| т у р а, К

Креме того, выбор этих пар лет определялся необходимостью исключения влияния солнечной активности на изменение температурного режима. В то же время они позволяют выявить зависимость многолетнего тренда от солнечной активности.

Характер поведения трендов температуры в течение года особенно наглядно виден на рис.5, где представлены их сезонные вариации на различных высотах в области средних широт. Точками показаны значения трендов, вычисленные при статистической обработке, для каждого месяца года, а сплошными линиями отображены аппроксимации сезонных вариаций тренда ЗТцОа, г) на основе суммы гармоник с периодами 12, 6, 4, 3, 2.4 и 2 месяца, сделанных согласно выражению:

8Т„<и,2)-5Т,1МА(г)+А1Со8[2я^-11)/365]+А2Со5[4я(и-12)/365] + АзСовГбгс^з) / 365] + А4Со5[8я(1а-14) / Зб5]+А5Со8[10ге(и-15) / З65]+А<;аи[1271(^-0/ 365],

где 8Т(гма( г) - среднегодовое значение тренда на высоте ъ, Аь А2, Аз, А4, А5 и А« -амплитуды гармоник и ^ 13,14,15и 16- их фазы, и - день года.

На основе результатов, показанных на рис 5, были построены высотные распределения среднемесячных трендов температуры.

СГ о

3

4

а

н

2

О

-2 2

О

-2 2

О

-2 2

О

— 1 1 97 км 1 1 1 1 —1-:- -г —

X. _| -1 1___1____1 1 . __I 1......1___

92 км

-1-1—

87 км

_......1 '1 80 км 1 -1- -1---1- ■

•

1 1 1 • «■' "" ' т I •

1 2 3 4 5 М б е с 7 8 я ц ы 9 10 11 12

Рис. 5. Сезонное поведение

многолетних трендов температуры атмосферы на высотах 80-100 км для средних широт. Точки-

среднемесячные значения, сплошные линии-

аппроксимации суммой гармоник.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Разработан и введен в действие комплекс спектрофотометрической аппаратуры для автоматической регистрации спектров излучения различных газовых компонентов ночной верхней атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра 6201050 нм, что обеспечило одновременную регистрацию вращательных температур молекул гидроксила с колебательным возбуждением с третьего по Девятый колебательные уровни основного электронного состояния.

2. Проведены регулярные наблюдения с 2000 по 2004 гг. и накоплен большой наблюдательный материал.

3. Проведена спектральная и абсолютная калибровка результатов спектрофотометрических наблюдений. Эти данные совместно с ранее полученными материалами легли в основу банка данных о температуре мезопаузы.

4. Впервые для конкретных гелио-геофизических условий получено спектральное распределение интенсивности излучения в абсолютных фотометрических единицах рэлей (Рл), которое является современной версией «Атласа спектра излучения среднеширотноб ночной атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра»

5. Исследованы сезонные вариации вращательных температур ОН, соответствующие колебательным уровням от третьего до девятого. Обнаружено, что в отличие прежних исследований они имеют существенные различия:

> амплитуды годовых и полугодовых вариаций излучения с высоких колебательных уровней ОН составляют -18 % и ~7 % от среднегодовых значений соответствующих интенсивностей. Излучение с низких колебательных уровней характеризуется сезонными вариациями с одинаковыми амплитудами (11 - 12 % от среднегодовых интенсивностей);

> различие температур, определяемых для высоких (у 2 7) и низких (у' й 6) колебательных уровней, становится более значительным (10 - 16 К) в периоды летнего и зимнего солнцестояния и осеннего равноденствия. Оно обусловлено различием фаз и амплитуд годовых и полугодовых гармоник вариаций исследуемых температур;

> максимумы годовых вариаций характеристик излучения с высоких колебательных уровней гидроксила опережают максимумы соответствующих вариаций характеристик излучения с низких колебательных уровней Сдвиг фаз, по-видимому, связан с действием не только озоно-водородного процесса, ответственного за возбуждение высоких колебательных уровней, но и перегидроксильного механизма, обусловливающего дополнительное возбуждение нижних уровней у<6. Известно, что вклад их в общий процесс возбуждения молекулы ОН определяется сезоном года

вследствие вариаций содержания атомарного кислорода.

6. Впервые оптическими (ИФА РАН) и радиофизическими (ФИ РАН) методами проведены систематические в течение нескольких лет одновременные наземные измерения излучений гидроксила и озона в области мезопаузы. Определены на высотах 80-90 км для ночных зимних условий температура, концентрация молекул азота и кислорода, озона и атомов водорода и кислорода- [М] - Р^+ГОг] - (1.2+0.2>1014см 3, [Н] = (8.4+1.8>107 см'3 и [О] - (0.9+0.2>10п см"3. Обнаружено, что измеренные значения температуры превышают модельные в среднем на 20 К.

7. Оценены статистические закономерности сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы:

> в летний период тренд меняется от ~ -1.0 К/год на высоте 80 км до нулевых значений на высотах 87-97 км.

> в зимний период тренд в интервале высот 80-87 км имеет выраженный отрицательный характер, достигая значений -(1.0 -г 1.7) К/год. Вблизи 92 км он постепенно принимает нулевое значение, а у основания термосферы (-102 км) становится положительным (-0.7 К/год).

8. На основе фотохимического механизма возникновения и статистических характеристик вариаций параметров гидроксильного излучения выполнен расчет сезонных изменений высотного распределения концентраций озона на высотах 80-100 км ночное время для условий минимума и максимума солнечной активности. Высота максимума концентрации озона понижается с увеличением солнечной активности примерно на 4 км и это наиболее выражено в летнее время.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих

работа»:

1. Баканас В.В., Железнов Ю.А., Перминов В.И., Семенов А.И., Хомич В Ю. Атлас собственного излучения ночной верхней атмосферы для средних широт в видимой и ближней ИК - областях спектра // Препринт ИФА РАН - НТЦ УП РАН.-М. 2001. с. 20.

2. Баканас В.В., Железнов Ю.А., Семенов А.И , Хомич В.Ю. Расчет статистических характеристик сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы // Препринт ИФА РАН - НТЦ УП РАН.-М 2001. с. 19.

3. Баканас В.В., Железнов Ю.А., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Исследования геофизических характеристик верхней атмосферы на основе зарегистрированных спектров ее собственного ночного излучения // Препринт ИФА РАН. НТЦ УП РАН.-М. 2002. с. 40.

4. Семенов А.И., Баканас В.В., Перминов В.И., Железное Ю.А., Хомич В.Ю. Спектр излучения ночной верхней атмосферы Земли в ближней инфракрасной области // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. № 3. С. 407-414.

5. Bakanas V.V.,Perminov V.I., Semenov A.I., Zheleznov Yu. A., Khomich V. Yu., Alpatov V. V. Spectrum of the near infrared nighttime airglow observed at the middle latitude // PSMOS 2002. International Simposium on Dynamics and Chemistry of the MLT Region (Foz do Iguacu, Brazil, October 4-8,2002). Abstracts. 2002.

6. Bakanas V.V., Perminov V.I., Semenov A.I. Seasonal variations of emission characteristics of hydroxy! molecules with different vibrational excitation//34th Scientific Assembly of COSPAR (Houston, TX, USA, October 12-19,20Q2). Abstracts. 2002.

7. Перминов В.И., Кропоткина Е.П., Баканас В.В., Перцев Н.Н., Соломонов С.В., Розанов С.Б., Лукин А.Н. Определение концентраций основных и малых газовых компонентов атмосферы на высотах мезопаузы // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42. №6. С. 814-820.

8. Bakanas V.V., Perminov V.I. Seasonal variations of characteristics of the hydroxyl aiiglow // Proceedings of 26th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" (Apatity, February 25-28, 2003). 2003. P. 227-230.

9. Баканас B.B., Перминов В.И. Некоторые особенности в сезонном поведении характеристик гидроксильного излучения верхней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43. № 3 С. 389-396.

10. Bakanas V.V., Perminov V.I., Semenov A.I. Seasonal variations of emission characteristics of the mesopause hydroxyl with different vibrational excitation // Advances in Space Research. 2003. V. 32. No. 5. P. 765-770.

11. Перминов В.И., Семенов АИ., Баканас В.В., Железное Ю.А, Хомич В.Ю. Регулярные вариации интенсивности полосы (0-1) атмосферной системы излучения кислорода // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44. № 4. С.

12. Семенов А.И., Перцев Н.Н., Шефов Н.Н., Перминов В.И., Баканас В.В. Расчет высотных профилей температуры и концентраций атмосферы на высотах 30-110 км // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т.44. К» 6. С.

РНБ Русский фонд

2006-4 2631

Подписано в печать 16.08.2004 Формат 60x88 1/16. Объем 1.25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 119 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д. 1 Главное здание МГУ, к. 102

27 СЕН2С54

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Баканас, Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫХ

ПОЛОС МОЛЕКУЛ ГИДРОКСИЛА МЕЗОПАУЗЫ

1.1 Фотохимические процессы колебательно- вращательного возбуждения молекул гидроксила

1.2 Спектральная структура вращательно-колебательных полос

1.3 Распределение населенностей молекул по колебательным уровням

Глава 2 СПЕКТРОГРАФИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Используемая аппаратура

2.2 Калибровка спектрографической аппаратуры

2.3 Регистрация спектров и обработка полученных спектрограмм

2.4 Определение интенсивности спектральных линий

2.5 Определение вращательной температуры

2.6 Погрешности измерений

2.6.1 Аппаратурная погрешность измерения интенсивности линии

2.6.2 Погрешность определения вращательной температуры

2.7 Условия наблюдений

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

3.1 Атлас спектров излучения ночной верхней атмосферы Земли в ближней инфракрасной области

3.1.1 Измерения и анализ

3.2 Некоторые особенности сезонного поведения характеристик гидроксильного излучения верхней атмосферы

3.2.1 Проведение спектральных наблюдений

3.2.2 Анализ результатов измерений характеристик излучения гидроксила

3.2.3 Интенсивность излучения

3.2.4 Вращательная температура

3.2.5 Распределение населенностей молекул по колебательным уровням

3.3 Определение концентраций основных и малых газовых компонентов атмосферы на высотах мезопаузы

3.3.1. Методы используемых наблюдений

3.3.2. Определение концентраций газовых компонентов

3.3.3 Результаты измерений и обсуждение

3.4 Расчет высотного распределения озона

3.4.1 Постановка задачи

3.4.2 Аналитическая аппроксимации расчета высотного распределения концентрации озона

3.4.3 Результаты расчета

3.5 Статистические характеристики сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы

3.5.1 Среднемесячные высотные профили температуры

3.5.2 Сезонные вариации многолетнего тренда температуры

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование вариаций температуры и состава малых газовых компонентов ночной мезопаузы по излучению молекул гидроксила"

С момента обнаружения и отождествления гидроксильного излучения в середине 20-го столетия оно стало предметом интенсивных исследований, поскольку, имея большую энергетику (~ 1 эрг/см с), оно отображает процессы преобразования энергии в области мезопаузы, поглощаемого УФ излучения Солнца в области спектра короче 240 нм. Как показали предшествующие исследования, наблюдаемые разнообразные вариации характеристик гидроксильного излучения требуют всестороннего анализа, так как позволяют получать сведения не только о свойствах молекулярных процессов, но и использовать их для изучения состояния земной атмосферы.

Актуальность работы.

В течение длительного времени наземные наблюдения колебательно-вращательных полос гидроксильного излучения используются для исследования температурного режима, динамики и газовых составляющих в области верхней мезосферы и нижней термосферы (80 - 100 км). Гидроксильное излучение одно из самых значимых в верхней атмосфере. Эта его особенность обусловлена тем, что оно обладает несколькими такими важными для исследования процессов в среде атмосферы параметрами как равновесная вращательная температура Тг, отображающая температуру окружающей среды на высотах свечения гидроксила, а также неравновесная вращательная температура Тпг и колебательная температура Tv, характеризующие процессы образования возбужденных молекул гидроксила и их дезактивации, и интенсивность I - индикатор скоростей процессов преобразования энергии.

За последние десятилетия резко возросла роль антропогенного влияния на атмосферу, верхняя часть (>80 км) которой является особенно чувствительной на возможные незначительные изменение ее химического состава. Индикатором этих процессов служат различные оптические излучения, отображающие эти изменения, что позволяет осуществлять их регистрацию с поверхности Земли. Одним из наиболее информативных излучений в верхней атмосфере является гидроксильная эмиссия. Все это и обусловливает актуальность проведения таких исследований.

Цель работы

Исследование одновременных вариаций вращательной температуры полос гидроксила (ОН) с различным колебательным возбуждением и распределения населенностей по колебательным уровням, которое может быть аппроксимируемо в простейшем случае больцмановским распределением с колебательной температурой, изменяющейся в пределах приблизительно 5000-4-10000 К, а также одновременного поведения интенсивностей полос ОН, как средства получения данных для исследования структурных параметров верхней атмосферы и их вариаций различного временного масштаба для различных гелио-геофизических условий.

Достижение поставленной цели потребовало решение следующих задач:

1. Разработать и изготовить комплекс спектрографической аппаратуры, обеспечивающей регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила в ночном собственном свечении верхней атмосферы в оптическом и ближнем ИК диапазонах.

2. Проведение одновременных измерений в нескольких участках спектра, позволяющих максимально охватить все возможные возбужденные уровни молекулы ОН (от 3-го до 9-го). Наблюдения должны были выполняться в течение различных сезонов года.

3. Накопление экспериментальных данных о характеристиках гидроксильного излучения с различных колебательных и вращательных уровней.

4. Анализ экспериментального материала для выявления вариаций характеристик излучения гидроксила различного временного масштаба (несколько минут, ночное время суток, сезон, год и т.д.), различий вращательной температуры для разных колебательных уровней и взаимосвязи полученных данных с другими характеристиками средней атмосферы.

Научная новизна и основные результаты работы

1. Проведены спектрографические наблюдения гидроксильного излучения в спектральной области 0.62-1.05 мкм. Впервые на основе этих одновременных наблюдений всего набора полос излучения молекулы гидроксила с третьего по девятый колебательные уровни определены интенсивности всех полос с различным колебательным возбуждением, вращательные температуры и населенности всех колебательных уровней ОН. Выявлены новые закономерности сезонных вариаций данных характеристик:

- Амплитуды годовых и полугодовых вариаций излучения с высоких колебательных уровней ОН составляют ~18 % и ~7 % от среднегодовых значений соответствующих интенсивностей. Излучение с низких колебательных уровней характеризуется сезонными вариациями с одинаковыми амплитудами (11 - 12 % от среднегодовых интенсивностей).

- Среднегодовые вращательные температуры (199 - 202 К), определенные по полосам излучения с различных колебательных уровней, имеют небольшое различие. Однако различие температур становится более значительным (10 - 16 К) в конце июня - начале июля, сентябре - октябре и январе. Это происходит вследствие некоторого различия фаз и амплитуд как годовых, так и полугодовых гармоник вариаций исследуемых температур.

- Максимумы годовых вариаций характеристик излучения с высоких колебательных уровней гидроксила опережают максимумы соответствующих вариаций характеристик излучения с низких колебательных уровней. Сдвиг фаз, по-видимому, связан с расхождением по высоте излучающих слоев гидроксила и соответственно с особенностями сезонного поведения характеристик атмосферы на разных высотах.

- На основе найденных интенсивностей отдельных полос ОН оценены населенности колебательных уровней, дана их характеристика в виде колебательной температуры и рассчитана интегральная интенсивность излучения гидроксила как для разных сезонов, так и для среднегодовых условий (~ 900 килорэлей).

2. Впервые на основе результатов измерений излучения верхней атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра для конкретных гелио-геофизических условий получено спектральное распределение интенсивности излучения в абсолютных фотометрических единицах рэлей (Рл), которое является современной версией «Атласа спектра излучения среднеширотной ночной атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра»

3. Впервые проведены одновременные наземные измерения излучений гидроксила и озона в области мезопаузы. На основе анализа полученных данных определены температура, концентрация молекул азота и кислорода, а также концентрации таких малых газовых компонентов, как озон, атомарные водород и кислород.

- Было выявлено, что измеренные значения температуры превышают модельные в среднем на 20 К. Ранее в [Mulligan и др., 1995] так же было отмечено, что, в частности, MSIS-90 предсказывает заниженные значения температуры в области мезопаузы на 15-20 К по сравнению с измерениями.

- Сравнение модельных и измеренных концентраций газовых компонентов показывает их удовлетворительное согласие. Осредненные за три ночи измеренные значения концентраций составили (1.2+0.2)-1014 см"3 для [N2]+[02], (8.4+1.8) -107 см-3 для [Н] и (0.9±0.2) -10й см-3 для [О].

- При анализе измеренных значений атмосферных характеристик обращают на себя внимание их межсуточные изменения, которые значительно превосходят соответствующие вариации в модели MSIS-90. По-видимому, основными причинами наблюденных межсуточных изменений в температуре и концентрациях газового состава являются как гелиогеофизические изменения, так и волновые процессы с периодами от

2 до 28 суток, которые, как правило, в справочных атмосферных моделях не учитываются.

4. Выявлены новые закономерности в сезонных вариациях интенсивности излучения и вращательной температуры гидроксильного излучения.

5. Определены статистические характеристики сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы:

- В летний период с увеличением высоты тренд меняется от ~ -1.0 К/год на высоте 80 км до нулевых значений на высотах 87-97 км.

- В зимний период тренд в интервале высот 80-87 км имеет выраженный отрицательный характер, достигая значений -(1.0 -г 1.7) К/год. Вблизи 92 км он постепенно принимает нулевое значение, а у основания термосферы (-102 км) становится положительным (~0.7 К/год).

- Наблюдаемые положительные значения тренда температуры в нижней термосфере на высотах выше 97 км устойчиво наблюдаются в течение всего года и, по-видимому, являются следствием деформации высотного профиля температуры вследствие оседания термосферы.

- Выявлено существование некоторой переходной зоны, существующей вблизи мезопаузы на высотах 92-93 км, ниже которой температурные тренды для всех сезонов, как правило, имеют отрицательные значения, в то время как выше этой зоны становятся положительными. Высота этой переходной области практически не меняется в течение всего года.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечена абсолютной калибровкой интенсивности излучения и точностью (2 К) определяемых вращательных температур, большим объемом материалов наблюдений и использованием стандартных методов статистической обработки результатов измерений.

Практическая значимость.

Результаты проведенных исследований были применены для определения ряда структурных параметров средней атмосферы, коррекции данных многолетних изменений ее температуры, а также при разработке модели высотных распределений температуры и плотности. Они могут быть использованы для уточнения некоторых деталей механизмов возникновения гидроксильного излучения, связанных с его высотных распределением.

Личный вклад.

Работа выполнялась в течение 1999 - 2003 г.г. в ходе проведения плановых работ Института физики атмосферы им. А.М.Обухова (ИФА) РАН. Автором проведены комплексные спектрографические наблюдения на Звенигородской научной станции ИФА РАН. Автор принимал непосредственное участие в обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, докладывались на 25-м Ежегодном семинаре "Physics of auroral phenomena" (Apatity, February 26 - March 1, 2002), на 34-й Научной Ассамблее COSPAR (Houston, TX, USA, October 12-19, 2002), на Международном симпозиуме по динамике и химии области мезосферы и нижней термосферы (Foz do Iguacu, Brazil, October 4-8, 2002), на 26-м Ежегодном семинаре "Physics of auroral phenomena" (Apatity, February 25-28, 2003), на 7-й Всероссийской конференции молодых ученых «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере» (13-15 мая 2003, г. Нижний Новгород), на Международной конференции «Околоземная астрономия - 2003» (8-13 сентября 2003 г., г. Терскол) и на семинарах Отдела теории климата и Лаборатории физики верхней атмосферы ИФА РАН.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (172 наименования) и приложений. Она содержит 150 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок и 10 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Баканас, Владимир Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом настоящей работы явились следующие результаты:

1. Разработан и введен в действие комплекс спектрофотометрической аппаратуры для автоматической регистрации спектров излучения различных газовых компонентов ночной верхней атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра 620-1050 нм, что обеспечило одновременную регистрацию вращательных температур молекул гидроксила с колебательным возбуждением с третьего по девятый колебательные уровни.

2. Проведены регулярные наблюдения с 2000 по 2004 г.г. и накоплен большой наблюдательный материал.

3. Проведена спектральная и абсолютная калибровка результатов спектрофотометрических наблюдений. Эти данные совместно с ранее полученными материалами легли в основу банка данных о температуре мезопаузы.

4. Впервые для конкретных гелио-геофизических условий получено спектральное распределение интенсивности излучения в абсолютных фотометрических единицах рэлей (Рл), которое является современной версией «Атласа спектра излучения среднеширотной ночной атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра»

5. Исследованы сезонные вариации вращательных температур ОН, соответствующие колебательным уровням от третьего до девятого. Обнаружено, что в отличие от прежних исследований они имеют существенные различия:

- амплитуды годовых и полугодовых вариаций излучения с высоких колебательных уровней ОН составляют -18 % и ~7 % от среднегодовых значений соответствующих интенсивностей. Излучение с низких колебательных уровней характеризуется сезонными вариациями с одинаковыми амплитудами (11 - 12 % от среднегодовых интенсивностей); различие температур, определяемых для высоких (v s 7) и низких (v ss 6) колебательных уровней, становится более значительным (10 - 16 К) в периоды летнего и зимнего солнцестояния и осеннего равноденствия. Оно обусловлено различием фаз и амплитуд годовых и полугодовых гармоник вариаций исследуемых температур; максимумы годовых вариаций характеристик излучения с высоких колебательных уровней гидроксила опережают максимумы соответствующих вариаций характеристик излучения с низких колебательных уровней. Сдвиг фаз, по-видимому, связан с действием не только озоно-водородного процесса, ответственного за возбуждение высоких колебательных уровней, но и перегидроксильного механизма, обусловливающего дополнительное возбуждение нижних уровней v < 6. Известно, что вклад их в общий процесс возбуждения молекулы ОН определяется сезоном года вследствие вариаций содержания атомарного кислорода. Впервые оптическими и радиофизическими методами проведены систематические в течение нескольких лет одновременные наземные измерения излучений гидроксила и озона в области мезопаузы. Определены на высотах 80-90 км для ночных зимних условий температура, концентрация молекул азота и кислорода, озона и атомов водорода и кислорода: [М] = [N2]+[02] = (1.2+0.2)-1014 см"3, [Н] = (8.4+1.8)-107 см"3 и [О] = (0.9±0.2)-10и см"3. Обнаружено, что измеренные значения температуры превышают модельные в среднем на 20 К. Оценены статистические закономерности сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы:

- в летний период тренд меняется от ~ -1.0 К/год на высоте 80 км до нулевых значений на высотах 87-97 км.

- в зимний период тренд в интервале высот 80-87 км имеет выраженный отрицательный характер, достигая значений -(1.0 -г 1.7) К/год. Вблизи 92 км он постепенно принимает нулевое значение, а у основания термосферы (-102 км) становится положительным (-0.7 К/год).

8. На основе фотохимического механизма возникновения и статистических характеристик вариаций параметров гидроксильного излучения выполнен расчет сезонных изменений высотного распределения концентраций озона на высотах 80-100 км ночное время для условий минимума и максимума солнечной активности. Высота максимума концентрации озона понижается с увеличением солнечной активности примерно на 4 км и это наиболее выражено в летнее время.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю А.И Семенову за советы и внимание, руководству Института за предоставленную возможность работы над темой, коллективу Лаборатории за постоянную помощь и поддержку в проведении наблюдений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Баканас, Владимир Викторович, Москва

1. Аммосов 77.77., Гаершьееа Г.А. Энергетический вклад длинно-периодных волн в мезосферу // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. № 4. С. 202-206.

2. Артемьев В.В. Фотоэлектронные счетчики фотонов // Оптико-механическая промышленность. 1979. № 1. С. 62-68.

3. Атмосфера. Справочник. JL: Гидрометеоиздат, 1991.

4. Баканас В.В., Железное Ю.А., Перминов В.И., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Атлас собственного излучения ночной верхней атмосферы для средних широт в видимой и ближней ИК областях спектра // Препринт ИФА РАН - НТЦ УП РАН.-М. 2001 а. с. 20.

5. Баканас В.В., Железное Ю.А., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Исследования геофизических характеристик верхней атмосферы на основе зарегистрированных спектров ее собственного ночного излучения // Препринт ИФА РАН НТЦ УП РАН.-М. 2002. с. 40.

6. Берг М.А., Шефов Н.Н. Гидроксильная эмиссия с различным колебательным возбуждением // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Издательство АН ССР. 1963. № 10. С. 19-23.

7. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайделъ И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы// М.Радио и связь. 1988. 272с.

8. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1987.

9. Гордиец Б.Ф., Осипов А. И., Шелепин Л. А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры // М.: Наука. 1980. 512 с.

10. Григорьева В.М., Гершензон Ю.М., Шалашилин Д.В., Уманский С.Я. Новый кинетический механизм гидроксильного свечения ночного неба и особенности колебательной релаксации верхних уровней OH(v = 7-9) на 02 // Хим. физика. 1994. Т. 13. № 10. С. 3-12.

11. П.Докучаева О.Д. Астрономическая фотография: Материалы и методы. М.: Физматлит. 1994. 480 с.

12. Зайделъ КН., Куренков Г.И. Электронно-оптические преобразователи. М.: Энергия. 1976. 56 с.

13. Каталог "Оптические приборы ". Светосильный спектрограф СП-48. Светосильный спектрограф СП-50. М.: Машиностроение. 1959. Т.4. С.76-84.

14. Ю.Красовский В.И. О ночном излучении неба в инфракрасной области спектра // Докл. АН СССР. 1949. Т.66. № 1. С.53-54. 21 .Красовский В.И. Природа инфракрасного излучения ночного неба // Докл. АН СССР. 1950. Т. 73. № 4. С. 679-682.

15. Красовский В.И. Проблема гидроксильного излучения и пути ее решения // Космические исследования. 1971. Т.9. № 1. С.54-65.

16. Красовский В.И, Потапов Б.П., Семенов А.И., Соболев В.Г., Шагаев М.В., Шефов Н.Н. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы. I. Результаты исследований гидроксильного излучения //

17. Перминов В.И. Измерения атомного водорода мезопаузы по вариациям гидроксильного излучения // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37. №4. С. 174-176.

18. Перминов В.И., Семенов А.И. Неравновесность вращательной температуры полос ОН с высоким колебательным возбуждением // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. № 2. С. 175-178.

19. Ъ2.Питерская Н.А., Шефов Н.Н. Распределение интенсивности во вращательно-колебательных полосах ОН // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Наука. 1975. № 23. С. 69-122.

20. ЪЪ.Потапов Б.П. Исследование внутренних гравитационных волн в верхней атмосфере оптическим методом на основе счета фотонов // Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. ИФА АН СССР. 1979. 134 с.

21. ЪА.Потапов Б.П., Семенов А.И., Соболев В.Г., Шагаев М.В. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы. II. Аппаратура и методы оптических измерений // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Советское радио. 1978. № 26. С. 30-65.

22. Семенов А.И. Температурный режим нижней термосферы по эмиссионным измерениям в течение последних десятилетий // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. № 5. С. 90-97.

23. Семенов А.И. Многолетние изменения высотных распределений озона и атомарного кислорода в нижней термосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37. № 3. С. 132-142.

24. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Эмпирическая модель вариаций гидроксильного излучения // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. № 4. С. 68-85.

25. Семенов А.Н., Шефов Н.Н. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм в ночное время. 1. Интенсивность // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37. № 2. С. 81-90.

26. 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. № 3. С. 143-147.

27. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм в ночное время. 1. Высота излучающего слоя // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37. № 4. С.105-111.

28. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Вариации температуры и содержания атомарного кислорода в области мезопаузы и нижней термосферы при изменении солнечной активности// Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 4. С. 87-91.

29. Соболев Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О., Елисеев Р.Е. Фотоэлектронные приборы // М.: Наука. 1965. 692 с.

30. А А.Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Лукин А.Н., Пономаренко Н.И., Розанов С.Б. О вариациях атмосферного озона на миллиметровых волнах // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 29. № 8. С. 525-531.

31. Соломонов С.В., Розанов С.Б., Кропоткина Е.П., Лукин А.Н.

32. Спектрорадиометр для дистанционного зондирования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах // Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. № 12. С.1519-1525.

33. Суходоев В.А. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы. VIII. О тропосферных источниках // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Радио и связь. 1981. № 29. С.76-79.

34. Фишкова Л.М. О проявлениях динамики атмосферы в вариациях ночного излучения мезосферы и нижней термосферы // Ионосферные исследования. 1979. № 29. С.60-65.

35. Фишкова Л.М. Многолетний ход ночного излучения ОН и О среднеширотной верхней атмосферы // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Сов. Радио. 1981. № 29. С.22-25.

36. Фишкова Л.М. Ночное излучение среднеширотной верхней атмосферы Земли. Тбилиси: Мецниереба, 1983. 272с.

37. Фишкова Л.М., Марцваладзе Н.М., Шефов Н.Н. Сезонные вариации эмиссии атомарного кислорода 557.7 нм от солнечной активности и многолетнего тренда // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. № 4. С.

38. Харитонов А.В, Глушкова Е.А., Князева А.Н, Морозова Н.Н., Ребристый В. Т., Сокодовников Т.В., Терещенко В.Н., ФришбергЛ.Д. Спектрометрические стандарты для наблюдения планет и комет и некоторые вопросы звездной спектрофотометрии. Алма-Ата: Наука. 1972.

39. Чемберлен Дж. Физика полярных сияний и излучения атмосферы.// М. : ИЛ. 1963. 777 с.

40. Шагаев М.В. Вариации колебательного возбуждения ОН, обусловленные гравитационными волнами // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Сов. Радио. 1976. № 24. С.27-31.

41. Шагаев М.В. Характеристики вариаций гидроксильного излучения, отображающие процессы его возникновения // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Сов. Радио. 1978. С. 18-25.

42. Шефов Н.Н. Об определении вращательной температуры полос ОН // Спектральные, электрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. М.: Изд-во АН СССР. 1961. № 5. С. 5-9.

43. Шефов Н.Н. О населенностях колебательных уровней молекул гидроксила // В кн.: Спектральные, электрофотометрическиеи радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. М.: Академия наук СССР. 1961. № 6. С.21-27.

44. Шефов Н.Н. Гидроксильное излучение верхней атмосферы // Докторская диссертация. М.: ИФА АН СССР. 1971. 423 с

45. Шефов Н.Н. Поведение гидроксильной эмиссии в течение солнечного цикла, сезонов и геомагнитных возмущений // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Наука. 1973. № 20. С. 23-39.

46. Шефов Н.Н. Результаты исследований гидроксильной эмиссии //В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Сов. Радио. 1975. № 22. С.71-76.

47. Шефов Н.Н. Сезонные вариации гидроксильной эмиссии // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Сов. Радио. 1976. № 24. С.32-36.

48. Шефов Н.Н. Некорпускулярная природа ионосферного поглощения, возникающего на средних широтах после геомагнитных бурь // В кн.: Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Сов. Радио. 1978. № 27. С.36-44.

49. Шефов Н.Н., Питерская Н.А. Спектральные и пространственно-временные характеристики фонового свечения верхней атмосферы. Гидроксильное излучение // Полярные сияния и свечение ночного неба.М.: ВИНИТИ. 1984. № 31. С.23-123.

50. Шефов Н.Н., Семенов А.И. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного натрия в ночное время. 2. Высота излучающего слоя // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. № 2. С.267-271.

51. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Юрченко О.Т. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного натрия в ночное время. 1. Интенсивность // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т.40. № 1. С. 112117.

52. Шкловский ИС. // Изв. Крым. Астр. Обе. 1951. № 7. С.34-58.

53. Щеглов П.В. Электронная телескопия. М.: Изд-во Физ.-Мат.Лит. 1963. 196 с.

54. Baker D J., Stair A.T. Rocket measurements of the altitude distributions ofthe hydroxyl airglow // Physica Scripta. 1988. V.37. № 4. P. 611-622. 16.Bates D.R., NicoletM. The photochemistry of atmospheric water vapour // J.

55. BroadfootA.L., Kendall K.R. Airglow spectrum 3100-10000 A // J. Geophys. Res. 1968. V. 73. № 1. P. 426-428.

56. CushionK. Hi. Molec. Spectroscopy. 1963. V.10. P.182-189.81 .Chalamala R., Copeland RA. Collision dynamics of ОН(Х2П, v = 9) // J. Chem. Phys. 1993. V. 99. № 8. P. 5807-5812.

57. Chandra S., Jackman C.H., Fleming T.L., Russel III J.M. The seasonal and long term changes in mesospheric water vapor // Geophys. Res. Lett. 1997. V. 24. № 6. P. 639-642.

58. Charters P.E., Macdonald R.G., PolanyiJ.C. Formation of vibrationally excited OH by the reaction H + 03 // Appl. Opt. 1971. V.10. № 8.1. P.1747 1754.

59. Chikashi Y., Masahara F., Hirota E. Detection of the NaO radical by microwave spectroscopy 11 J. Chem. Phys. 1989. V. 90. № 6. P. 3033-3037.

60. Clemesha B.R., Simonich D.M., Batista P.P. A long-term trend in the height of the atmospheric sodium layer: possible evidence for global change // Geophys.Res.Lett. 1992. V.19. №5. P.457-460.

61. Clemesha B.R., Simonich D.M., Takahashi H., Melo S.M.L., Plane J.M.C. Experimental evidence for photochemical control of the atmospheric sodium layer // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. № D9. P. 18909-18916.

62. Garvin D. Chemically induced vibrational excitation: A study of hydroxyl radicals formed in the H + 03 atomic flame // J. American Chem. Soc. 1959. V.81. № 13. P.3173-3179.

63. Garvin D., McKinley J.D. Rate of the reaction: H + ОЗ -» OH + 02. An analysis of a product emitter flame // J. Chem. Phys. 1956. V.24. № 6. P.1256-1264.

64. Goldman A., Schoenfeld W.G., Goorvitch D., Chackerian C. Jr, DotheH., Melen F., Abrams M.C., Selby J.EA. Updated line parameters for ОН Х2П Х2П (v", v') transitions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1998. V. 59. № 3-5. P. 453-469.

65. Greenblatt G.D., WiesenfeldJ.R. Time-resolved emission studies of vibrationally excited hydroxyl radicals: OH(X П.У"=9) // J. Geophys. Res. 1982. V.87. № C12. P.11145-11152.

66. Golitsyn G.S., Semenov A.I., Shefov N.N. , Fishkova L.M., Lysenko E.V., Perov S.P. Long-term temperature trends in the middle and upper atmosphere 11 Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. № 14. P. 1741-1744.

67. Goorvitch D., Goldman A., Hoang Dothe, Tipping R.H., Chackerian C. Hydroxyl Х2П pure rotational transitions // J. Geophys. Res. 1992. V.97. № 18. P. 20771-20786.

68. Grossmann K.U. Recent measurements of trace constituents from rocket and balloon probes.// Adv. Space Res. 1987. V. 7. № 9. P. 95-101.

69. HelmerM., Plane J.M. С. A study of the reaction Na02 + О NaO + 02 : implications for the chemistry of sodium in the upper atmosphere // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. № D12. P. 23207-23222.

70. Herschbach D.R., Kolb C.E., Worsnop D.R., ShiX. Excitation mechanism of the mesospheric sodium nightglow // Nature. 1992. V. 356. № 6368. P. 414-416.

71. Herzberg G. Molecular spectra and molecular structure . I. Spectra of diatomic molecules // 2nd edition. New York. Van Mostrand Reinhold Co.1950. 658 p.

72. Herzberg G. The atmospheres of the planets // J. Roy. Astr. Soc. Canada.1951. V.45. № 3. P.100-123.

73. Howard M.J., Smith I.W.M. Direct rate measurements of the reactions

74. N + OH —► NO + H and О + OH —> 02 + H from 250 to 515 К // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2. 1981. V.77. № 7. P. 997-1002.

75. Keyser I.F. Absolute rate and temperature dependence of the reactionлbetween hydrogen ( S) atoms and ozone // J. Phys. Chem. 1979. V. 83. № 3. P. 645-651.

76. Klenermann D., Smith I. W.M Infrared chemiluminescence studies using a SISAM spectrometer reactions producing vibrationally excited OH // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2.1987. V.83. № 2. P.229-241.

77. Knutsen K., Copeland R.A. Vibrational relaxation of OH(X П, v = 7, 8) by 02, N2, N2 О and C02 // EOS Trans. AGU. 1993. V. 43. Fall Meeting Suppl. P. 472.

78. Krassovsky V.I., PotapovB.P., SemenovA.I., Sobolev V.G., ShagaevM.V., Shefov NN. On the equilibrium nature of the rotational temperature of hydroxyl airglow//Planet. Space Sci. 1977. V. 25. № 6. P. 596-597.

79. WO. Krassovsky V.I., Shefov V.I, Yarin V.I. Atlas of the airglow spectrum X 3000-12400 A // Planet. Space Sci. 1962. V.9. № 12. P. 883-915.

80. Lambert J.D. Vibrational and rotational relaxation in gases // Oxford: Clarendon. 1977. 250 p.

81. LanghoffS.R., Werner H.-J., Rosmus P. Theoretical transition probabilities for the OH Meinel system // J. Mol. Spectr. 1986. V. 118. № 4. P. 507-529.

82. Le Texier H., Solomon S., Garcia R.R. Seasonal variability of the OH Meinel bands // Planet. Space Sci. 1987. V.35. № 8. P.977-989.

83. Lewis R.S., Watson R.T. Temperature dependence of the reaction0(3P) + ОН(2П) -*■ 02 + H//J. Phys .Chem. 1980. V.84. № 7. P.3495-3499.

84. US. Lowe R.P. Interferometric spectra of the Earth's airglow (1.2 to 1.6 цш) // Phil. Trans. Roy. Soc. London. 1969. V. A264. № 1150. P. 163-169.

85. McDade I.C. The altitude dependence of the ОН(Х2П) vibrational distribution in the nightglow: some model expectations // Planet. Space Sci. 1991. V.39. № 7. P.1049-1057.

86. McDade I.C., Llewellyn E.J. Kinetic parameters related to sources and sinks of vibrationally excited OH in the nightglow // J. Geophys. Res. 1987. V.92. № A7. P.7643-7650

87. McNeil W.J., Murad E., Lai S.T. Comprehensive model for the atmospheric sodium layer // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. № D8. P. 1684716855.

88. MeinelA.B. The near-infrared spectrum of the night sky and aurora // Publ. Astron. Soc. Pacific. 1948. V.60. P.373-378.

89. MeinelA.B. OH emission bands in the spectrum of the nightsky // Astrophys. J. 1950. V.lll. № 3. P. 555-564.

90. Mies F.H. Calculated vibrational transition probabilities of ОН(Х2П) // J. Molec. Spectroscopy. 1974. V.53. P.150-188.

91. MlynczakM.G., Solomon S. A detailed evaluation of the heating efficiency in the middle atmosphere // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. № D6. P. 1051710541.

92. Murphy R.E. Infrared emission of the OH in the fundamental and first overtone bands // J. Chem. Phys. 1971. V.54. № 11. P.4852-4859.

93. Murtagh D.P., McDade I.C., Greer R.G.H., StegmanJ., Witt G., Llewellyn E.J. ETON 4: An experimental investigation of the altitude dependence of the O2 (A32u+) vibrational populations in the nightglow // Planet. Space Sci. 1986. V. 34. №9. P. 811-817.

94. Nicolet M. Aeronomic reactions of hydrogen and ozone I I Mesospheric models and related experiments / Ed. G.Fiocco. Dordrecht: D.Reidel Publ. Co. 1971. P. 1-151.

95. Nicolet M. The photodissociation of water vapour in the mesosphere // J. Geophys. Res. 1981. V.86. № Сб. P.5203-5208.133 .NicovichJ.M., Wine P.H. Temperature dependence of the 0 + H02 rate coefficient // J. Phys. Chem. 1987. V.91. № 19. P.5118-5123

96. Ojfermann D., GraefH. Messungen der OH*-Temperatur // Promet. 1992. V. 22. № 2-4. P. 125-128.

97. Ohoyama H., Kasai Т., Yoshimura Y., Kimura H., Kuwata K. Initial distribution of vibrationally excited OH radicals produced in the

98. H + 03 —> OH(X Пщ, 3/2) +O2reaction. Chemi luminescence by a crossed beam technique // Chem. Phys.Lett. 1985. V. 118. № 3. P. 263-266.

99. Pendleton W., Espy P., Baker D., Steed A., Fetrow M., Henriksen K. Observation of OH Mainel (7, 4) P(N"=13) transitions in the night airglow // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. № Al. P. 505-510.

100. Plane J.M.С. The chemistry of meteoric metals in the Earth's upper atmosphere // Int. Rev. Phys. Chem. 1991. V. 10. № 1. P. 55-106.

101. Ш. Potter A.E., Coltharp R.J., Worley S.D. //J. Chem. Phys. 1971. V.54. P.992-999.

102. Rensberger K. J., Jeffries J.В., Crosley D.R. Vibrational relaxation of OH(X2nj v=2) // J- Chem. Phys. 1989. V.90. № 5. P.2174-2178.

103. Roble R.G., Hays P.B. On determining the ozone number density distribution from OAO-2 stellar occultation measurements // Planet. Space Sci. 1974. V. 22. № 9. P. 1337-1340.

104. ScheerJ., ReisinE.R., Espy J.P., Bittner M.M., GraefH.H., Offermann D., Ammosov P.P., Ignatiev V.M. Large-scale structures in hydroxyl rotational temperature during DYANA // J. Atmos. Terr. Phys. 1994. V. 56. № 13/14. P. 1701-1715.

105. Schubert G., WalterscheidR.L., HechtJ.H., Sivjee G.G. Temperature gradients at mesopause heights inferred from OH nightglow data // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. № All. P. 19061-19067.

106. She C.Y., von Zahn U. Concept of a two-level mesopause: support through new lidar observations // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № D5. P. 58555863.

107. ShefovN.N. Relations between the hydroxyl emission of the upper atmosphere and the stratospheric warmings // Gerlands Beitrage Geophys. 1973. V.82. № 2. P.lll-114.

108. Semenov A.I. Long-term temperature trends for different seasons by hydroxyl emission // Physics and chemistry of the Earth. 2000. V. 25. № 56. P. 525-529.

109. Sivjee G.G., Walterscheid R.L., HechtJ.H., Hamwey R.M., ShubertG., Christensen A.B. Effect of atmospheric disturbances on polar mesopause airgiow OH emissions I I J. Geophys. Res. 1987. V.92. № A7. P.7651-7656.

110. Smith СЛ., Toumi R., Haigh J.D. Seasonal trends in stratospheric water vapour // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. № 12. P. 1687-1690.

111. Snelling D., Hampson J. Water vapor concentration and neutral reactions in the mesosphere and stratosphere // Aeronomy report (ed. C.F.Sechrist). Urbana: Univ. Illinois, 1969. № 32. P. 223-234.

112. Spencer J.E., Glass G.P. Some reactions of OH(V=l) // Int. J. Chem. Kinetics. 1977. V.9. № 1. P. 111-114.

113. States R.J., Gardner C.S. Structure of the mesospheric Na layer at 40° N latitude: seasonal and diurnal variations // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. № D9. P.11783-11798.

114. Streit G.E., Johnston H.S. Reactions and quenching of vibrationally excited hydroxyl radicals // J. Chem. Phys. 1976.V.64, № 1. P.95-103.

115. Swenson G.R., Mende S.B., Geller S.P. Fabry-Perot imaging observations of OH(8-3): rotational temperatures and gravity waves // J. Geophys. Res. 1990. V.95. № A8. P.12251-12263.

116. Takahashi И., Batista P.P. Simultaneous measurements of OH(9,4), (8,3), (7,2), (6,2), and (5,1) bands in the air-glow // J. Geophys. Res. 1981. V.86. № A7. P. 5632-5642.

117. Takahashi H., Batista P.P., Sahai Y., Clemesha B.R. Atmospheric wave propagations in the mesopause region observed by the OH(8,3) band, NaD, 02A(8645 A) band and 015577 A nightglow emissions // Planet. Space Sci. 1985. V.33. № 4. P. 381-384.

118. Takahashi H., Clemesha B.R., Sahai Y., Batista P., Simonich D.M. Seasonal variations of mesospheric hydrogen and ozone concentrations derived from ground-based airglow and lidar observations // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 5987-5995.

119. Takahashi H., Sahai Y., Teixeira N.R. Airgiow intensity and temperature response to atmospheric wave propagation in the mesopause region // Adv. Space Res. 1990. V.10. № 10. P.1077-1081.

120. The book of photon tools. Stratford: Oriel Instruments. 1999. 800 p.

121. Thomas R.J. Seasonal ozone variations in the upper mesosphere // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. № D6. P. 7395-7401.

122. Thomas RJ. Atomic hydrogen and atomic oxygen density in the mesopause region: global and seasonal variations deduced from Solar Mesospheric Explorer near-infrared emission // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. № D10. P. 16457-16476.

123. Turnbull D.N. An empirical determination of the electric dipole moment function and transition probabilities of ОН(Х2П) // Ph. D. thesis. University of Western Ontario. London. 1987. 79 p.

124. Turnbull D.N., LoweR.P. New hydroxyl transition probabili ties and their importance in airglow studies // Planet. Space Sci. 1989. V.37. № 6. P.723-738.

125. UlwickJ.C., Baker K.D., Baker DJ., Steed A J., Pendleton W.R., Grossmann K., Bruckelmann H.G. Mesospheric minor species determinations from rocket and ground-based i.r. measurements // J. Atmos. Terr. Phys. 1987. V. 49. № 7/8. P. 855-862.

126. Weill G., ChristopheJ. Long term variations of OH nightglow emission -relation to stratospheric humidity? // In: Dynamical and chemical coupling, eds.: Grandal B. and Holtet J.A.,D. Reidel Publishing Co. Dordrecht. Holland. 1977. P.85-90.

127. Wiens R.H., Weill G. Diurnal, annual and solar cycle variations of hydroxyl and sodium nightglow intensities in the Europe-Africa sector // Planet. Space Sci. 1973. V.21. № 6. P. 1011-1027.

128. Wilson W.J., Schwartz R.R. Diurnal variations of mesospheric ozone using millimeter measurements // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. № D8. P. 75357538.

129. WinickJ.R. Photochemical processes in the mesosphere and thermosphere. In: Solar-Terristrial Physics // ed. by R.L.Carovillano and J.M.Forbs. D. Reidel Hingham Mass. 1983. P.677-732.