Исследование летнего полярного мезосферного эха в Северной Скандинавии тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.04 ВАК РФ

62 11/84

Шведский Институт Космической Физики

БАРАБАШ ВИКТОРИЯ ЭДУАРДОВНА Исследование летнего полярного мезосферного эха в Северной Скандинавии

Специальность 01.03.04 - Планетные исследования ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Кируна 2004

Шведский Институт Космической Физики

БАРАБАШ ВИКТОРИЯ ЭДУАРДОВНА Исследование летнего полярного мезосферного эха в Северной Скандинавии

ИКФ Научный отчет 283 Февраль 2004 г. Кируна 2004

ISSN 0284-1703 ISBN 91-7305-563-8

Аннотация

Кандидатская диссертация посвящена исследованию явлений, тесно связанных с уникальной тепловой структурой полярной летней мезосферы, а именно, Полярного Летнего Мезосферного Эха (ПЛМЭ). ПЛМЭ представляют собой сильные радиолокационные эхо, обычно наблюдаемые сверхвысокочастотными (СВЧ) радиолокаторами типа МСТ. Эти эхо отражаются от разряженных слоев атмосферы в высотном интервале 80-90 км на высоких широтах в течение лета. Они следуют сезонной картине внезапного появления в конце мая и постепенного исчезновения в середине августа. Этот период примерно соответствует времени между окончанием летнего охлаждения полярной мезопаузы и временем возврата мезосферной циркуляции к осеннему состоянию. В этом отношении, ПЛМЭ связаны с чрезвычайно низкими температурами, ниже 140 К, которые являются уникальными для полярной летней мезопаузы. Традиционные теории радиолокационного (частичного) отражения и рассеивания оказались не в состоянии объяснить ПЛМЭ. Точный механизм их возникновения остается неясным, несмотря на устойчиво растущий интерес к ним в последние 20 лет. Принятые сегодня теоретические представления о механизме, вызывающем ПЛМЭ, сходятся в том, что одним из условий, необходимых для усиления радиолокационных эхо, является наличие малоподвижных переносов заряда типа крупно-кластерных ионов и аэрозолей изо льда, которые захватывают окружающие электроны. Было установлено, что ПЛМЭ некоторым образом связаны с серебристыми облаками (ФО), слоями кристаллов изо льда, которые образуют самые высокие из наблюдаемых облаков в земной атмосфере. Найдено также, что возникновение и динамика ПЛМЭ тесно связаны с планетарными и гравитационными волнами.

Наблюдения ПЛМЭ, представленные в этой диссертации, были выполнены на радиолокаторе Е3гапёе МСТ (Е8КАБ), расположенном

2

на

научно-исследовательском полигоне Esrange (с координатами 61°56' с. ш., 21°04 ' в. д.) в окрестностях Кируны на крайнем севере Швеции. Радиолокатор работал на частоте 52 МГц с пиковой мощностью 72 кВт и максимальным рабочим циклом 5 %. Антенна состоит из (12х12)-решётки 5-элементного Yagis с интервалом между элементами О,'IX. В процессе измерений ПЛМЭ радиолокатор использовал 16-битовый комплиментарный код, имеющий длину сигнала 1мкС. Это соответствует разрешению по высоте 150 м. Частота выборки была принята равной 1450 Гц. Охватываемый диапазон высот был равен 80-90 км. Наличие ПЛМЭ определялось по радиолокационному отношению сигнал/шум. Измерения проводились с мая по август каждый год, начиная с 1997 г.

Частота возникновения сезонных и суточных ПЛМЭ, а также их динамика исследовались в связи с приливными ветрами, планетарными волнами, температурой и содержанием водяного пара в мезосфере (статьи I, IV и VI). Одновременные и общеобъемные наблюдения ПЛМЭ и серебристых облаков выполнялись с помощью радиолокатора, лидара и ПЗС-камеры (статья V). Исследовались корреляция между вариациями в ПЛМЭ и вариациями в дополнительной ионизации, вызываемой высыпающимися энергичными электронами или частицами высокой энергии от Солнца (статьи II и III). Возможное влияние эффектов переноса, вызванных электрическим полем, на возникновение ПЛМЭ исследовалось в течение солнечно-протонного события

(статья III).

Ключевые слова: полярное летнее мезосферное эхо, динамика средней атмосферы, ионосферные возмущения, солнечная излучение, аэрозоль, радиолокатор МСТ, планетарные волны, серебристые облака.

Содержание

1. Введение........................................................................................

2. Тепловая и динамическая структура верхней мезосферы и нижней термосферы в высоких широтах....................................

2.1 Вертикальная структура нейтральной атмосферы...................

2.2 Средние температуры в верхней мезосфере и нижней термосфере.....................................................................................

2.3 Динамическая структура верхней мезосферы и нижней термосферы....................................................................................

3. Полярное Летнее Мезосферное Эхо.........................................................22

3.1 Определение Полярного Летнего Мезосферного Эхо............................22

3.2 Сезонное возникновение..........................................................................24

3.3 Суточная вариация.....................................................................................25

3.4 Частоты регистрации ПЛМЭ....................................................................28

3.5 Широтные наблюдения............................................................................29

4. Связи с другими явлениями

4.1 Серебристые облака..............

4.2 Волны....................................

4.3 Заряженные аэрозоли.............

5. МСТ радиолокационное наблюдение верхней

атмосферы.................................................................................................^

5.1 Рассеивание и отражение МСТ радиолокационных сигналов в верхней

атмосфере................................................................................

5.2 СВЧ МСТ радиолокатор Бвга^е (Е8КАХ>)

6. Аннотация включенных статей.................

Библиография...................................................

Благодарности.................................................

Сокращения......................................................

Включенные статьи

1. Barabash, V., Chilson, P., Kirkwood, S., Rechou, A., and Stebel, K, Investigations of the possible relationship between PMSE and tides using a VHF MST radar, Geophysical Research Letters, 25, 17, 3297-3300, 1998.

2. Barabash, V., Kirkwood, S., and Chilson, P., Are variations in PSME intensity affected by energetic particle participation? Annales Geophysicae, 20, 539-545, 2002.

3. Barabash, V., Kirkwood, S., Feophilov, A., and Kutepov, A., Polar Mesosphere Summer Echoes during the July 2000 Solar Proton Event, Annales Geophysicae (in press), 2003.

4. Kirkwood, S., Barabash, V., Chilson, P., Rechou, A., Stebel, K, Espy, P., Witt, G. and Stegman, J., The 1997 PSME season - its relation to wind, temperature and water vapor, Geophysical Research Letters, 25, 11, 1867-1870, 1998.

5. Stebel, K, Barabash, V., Kirkwood, S„ Siebert, J., and Fricke, K.H., Polar Mesosphere Summer Echoes and noctilucent clouds: Simultaneous and common-volume observations by radar, lidar and CCD camera, Geophysical Research Letters, 27, 5,661-664, 2000.

6. Kirkwood, S., Barabash, V., Brandstrom, U., Mostrom, a., A., Stebel, K, Mitchell, N„ and Hocking, W., noctilucent clouds PSME and 5-day planetary waves: a case study, Geophysical Research Letters, 29, 10, 10.1029/2001G1014022, 1-4, 2002.

Невключенные статьи

1. Rechou, A., Barabash, V., Chilson, P., Kirkwood, S., Savitskaya, t., and Stebel, K„ Mountain wave motionsdetermined by the Esrange MST radar, Annales Geophysicae,

17, 957-970, 1999.

2. Kirkwood, S., Barabash, V., Belova, E., Nilsson, H., Rao, T. N. Stebel, K, Osepian, A., and Chilson, P., Polar mesosphere winter echoes during solar proton event, Adv. In Polar Upper Atm. Res., Japan, 2002.

1. Введение

Кандидатская диссертация посвящена исследованию явлений, тесно связанных с тепловой структурой полярной летней мезосферы и называемых Полярным Летним Мезосферным Эхо (ПЛМЭ). ПЛМЭ представляют собой сильные радиолокационные эхо, которые возникают в высотном интервале 80-90 км на высоких широтах (Ecklund and Balsley, 1981; Röttger et al., 1988) и на средних широтах (Czechowsky et al., 1979; Reid et al., 1989; Thomas et al., 1992; Chilson et al., 1997) в течение летних месяцев. Ecklund и Balsley (1981) впервые сообщили об этих явлениях, наблюдаемых на высоких широтах, т. е. выше 60° с. ш., как об аномально сильных и непрерывных отражениях радиолокационного сигнала в области мезопаузы (на высотах около 85 км) над Аляской в течение летних месяцев. Начиная с этого времени, данное явление

вызывает растущий интерес исследователей.

Область мезопаузы характеризуется чрезвычайно низкими температурами, опускающимися ниже 140 К полярным летом, тогда как в зимние месяцев температуры мезопаузы составляют примерно 190 К. Учитывая, что полярная атмосфера непрерывно освещается в летние месяцы и находится в полной темноте в течение нескольких месяцев зимой, можно было бы ожидать обратной картины. Однако, эта уникальная тепловая особенность интерпретируется, как результат глобальной циркуляции с восходящими массами над летним полюсом и нисходящими массами над зимним полюсом, а также меридиональной циркуляцией от летнего полюса к зимнему. Можно предположить, что эта циркуляция обусловлена воздействием импульса обрушения гравитационных волн и поэтому представляет собой сложный баланс между источниками и потерями энергии и импульса (Garcia and Solomon, 1985; Berger and Von Zahn, 1999; Akmaev, 2001; Zhu et al„ 2001). Анализ

тепловой и динамической структуры области мезопаузы, т. е. диапазона высот между 80 и 90 км на высоких широтах представлен в разделе 2.

Краткий обзор сезонных и суточных частот возникновения ПЛМЭ, частотных и широтных наблюдений представлен в разделе 3.

Связь ПЛМЭ с другими явлениями типа планетарных и гравитационных волн, серебристых облаков (СО) обсуждается в разделе 4. Много наблюдений ПЛМЭ было проведено с помощью радиолокаторов, лидаров и ракет, но природа процессов рассеивания и механизма их возникновения остаются пока открытыми. На сегодняшний день объяснение ПЛМЭ главным образом связано с мелкомасштабными колебаниями в электронной плотности, которые вызывают вариации коэффициента преломления в брэгговском масштабе (= половина радиолокационной длины волны, 3 м для 50-МГц радиолокатора). По предположению, эти колебания поддерживаются заряженными аэрозолями. Последние представления о возможной роли заряженных аэрозолей в возникновении ПЛМЭ изложены в разделе 4.

ПЛМЭ наблюдаются главным образом с помощью МСТ (мезосферно-стратосферно-тропосферных) радиолокаторов, которые начали использоваться в 1970-х годах для наблюдений структуры и динамики нижней и средней атмосферы. Эти радиолокаторы работают обычно на частотах порядка 50 МГц и обнаруживают эхо от неоднородностей, вызванных турбулентностью неисправности и градиентами коэффициента преломления (Woodman и Guillen, 1974). Описание методов МСТ радиолокации и анализ процессов рассеивания и

отражения приведены в разделе 5.

Статьи, включенные в эту диссертацию, содержат описание прямых измерений ПЛМЭ в Северной Скандинавии и влияния важных фоновых параметров типа ветров (статьи I, IV), волн (статья VI), температуры (статьи IV, VI), дополнительной ионизации (статьи II и III) и электрических полей (статья III). Связь ПЛМЭ с серебристыми облаками рассмотрена в статьях V и VI.

Измерения ПЛМЭ проводились с помощью СВЧ МСТ радиолокатора Esrange (ESRAD) в точке с координатами 67°53' сев. ш., 21°06' вост. долг. Они дополнялись наземными наблюдениями (с помощью лидаров, риометров, магнитометров, ПЗС-камер, метеорного радиолокатора SKiYMET, интерферометра), а также наблюдениями из космоса (спектров энергичных частиц - со спутников NOAA GOES-10 и АСЕ, водяного пара - с помощью прибора HALOE на борту спутника UARS, объемного отношения смеси С02 - с помощью спутников CRISTA 1 и 2 и любительскими наблюдениями (серебристых облаков) и ассимиляций (с помощью моделей Метеорологической Службы Великобритании (UKMO), MSISE-90, модели притока энергии и ионно-химической модели).

2. Тепловая и динамическая структура верхней мезосферы и нижней термосферы в высоких широтах

2.1 Вертикальная структура нейтральной атмосферы

Нейтральная атмосфера обычно подразделяется на высотные зоны согласно следующему температурному профилю: тропосфера, которая поглощает инфракрасное излучение от земли и где температура уменьшается с высотой; стратосфера, где температура увеличивается главным образом из-за поглощения озона солнечным УФ-излучением; мезосфера, где поглощается лишь небольшое количество излучения и температура вновь падает; термосфера, где температура увеличивается из-за поглощения коротковолнового солнечного излучения (< 4 мм) всеми атмосферными компонентами (рисунок 2.1). Атмосфера ниже 100 км хорошо перемешана, а ее состав во многом подобен составу на уровне моря, т. е. N2 (80 %) и 02 (20 %), за исключением малых составляющих. Это - гомосфера. Выше 100 км в гетеросфере средняя длина свободного пробега составляющих становится больше турбулентных смещений, так что газы могут разделяться молекулярной диффузией быстрее, чем они перемешиваются турбулентностью, и состав атмосферы изменяется с высотой.

Рисунок 2.1. Тепловая структура нейтральной атмосферы (Brasseur and Solomon, 1986).

2.2 Средние температуры в верхней мезосфере и нижней термосфере

Мезопауза - это граница между мезоеферой и термосферой, соответствующая температурному минимуму. Средние сезонные вариации изменения температуры и высот мезопаузы на 69° с. ш. показаны на рисунке 2.2. Отличительной особенностью мезопаузы является то, что она значительно холоднее летом, чем зимой, особенно в полярной области. Средняя летняя мезопауза (с мая по август) расположена на высоте приблизительно 85-88 км и имеет среднюю температуру всего лишь 130 К, тогда как зимние температуры (с сентября по апрель) значительно выше, порядка 190 К, и мезопауза расположена в районе 98 км (Lübken and von Zahn, 1991).

Эта ситуация интерпретируется сегодня как результат крупномасштабной циркуляции восходящих масс воздуха над летним полюсом, которые текут в направлении к зимнему полюсу несколько выше мезопаузы и стекают снова в нижнюю часть атмосферы над зимним полюсом (Andrews et al.,1987). По мере подъёма воздух перетекает в область более низкого давления с последующим расширением, что приводит к снижению температуры и в дальнейшем - к холодной летней мезопаузе. Эта циркуляция в районе мезопаузы, по-видимому, вызывается атмосферными гравитационными волнами. Гравитационные волны возбуждаются, например, тропосферными ветрами, текущими над горами, конвекцией, погодными фронтами в тропосфере и в областях неустойчивости вертикального градиента ветров. Типичные скорости ветра порядка 0-20 м/сек, и, таким образом, гравитационные волны имеют, по-видимому, подобные фазовые скорости.

Ветры на низких высотах, которые меняют направление между зимой и летом, позволяют распространяться вверх в атмосферу только тем гравитационным волнам, которые движутся против среднего потока. А именно, они фильтруют гравитационные волны таким образом, что волны распространяются преимущественно в восточном направлении летом и в

западном направлении зимой. Амплитуды волны растут по закону ехр(г/2Н), где ъ - высота и Н - вертикальный масштаб атмосферы. Это станет понятным, если мы будем считать кинетическую энергию волны пропорциональной р0У2, где р0 - плотность на уровне возбуждения возмущения и У7 - скорость в ъ-направлении. В то время как плотность уменьшается с увеличением ъ как ехр(-г/Н), амплитуда волны должна увеличиваться, как ехр(г/2Н), чтобы сохранялась энергия. Амплитуды волны растут до тех пор, пока горизонтальные скорости возмущения не будут соответствовать разнице между фоновой скоростью ветра и фазовой скоростью. На этих так называемых уровнях насыщения волны начинают разрушаться. Когда волны разрушаются в верхней атмосфере, их импульс передаётся фоновым ветрам и замедляет средний поток. Яе1с1 & а1. (1988) предположили, что наиболее интенсивное разрушение волн происходит выше 86 км, т.е. там, где температурная дисперсия более существенна, чем на более низких высотах (ЬйЬкеп & а1. 1996).

MESOPAUSE TEMPERATURE

200

Ф f-3

<B

g 150

100 1 .4.

mm

тт''//////лш

J- - - T i

CIRA 1986

1.APR.

1.JULY

1.OCT.

MESOPAUSE ALTITUDE

£

<u "b 3

1 10 i—-r-

100

90

80

CIRA 1986.

1 .JAN.

■ JULY

1.OCT.

Рисунок 2.2. Температура и высота мезопаузы на 69° с. ш. в зависимости от сезона. Вертикальные черточки показывают вариации температуры и высоты в данном конкретном месяце (Lübken and von Zahn, 1991).

Рисунок 2.3. Температурные профили, наблюдавшиеся с середины мая до середины августа в 1987, 1991, 1992, 1993, 1995 и 1997-м годах. Температура 150 К на высоте 82 км отмечена жирной линией. Числа, стоящие у различных высот, показывают стандартное отклонение на данной высоте (ЬйЬкеп, 1999).

На рисунке 2.3 индивидуальные температурные профили, наблюдаемые с середины мая до середины августа в различные годы (1987, 1991, 1992, 1993, 1995, 1997), демонстрируют довольно малое изменение. Изменение увеличивается в направлении к верхней части профиля, что объясняется как ошибками в методике измерения (Lübken, 1999), так и повышенным изменением температуры, вызванной турбулентной активностью (Lübken et al., 1997).

Температура и высота летней мезопаузы изменяются с широтой. Таким образом, при переходе от 69° с. ш. к 78° с. ш. температура мезопаузы уменьшается на 6-8 К в конце июля и в августе, а высота мезопаузы возрастает на 1 км (Lübken and Müllemann, 2003). Это частично объясняется более поздним переходом от лета к зиме на очень высоких широтах (78° с. ш.).

2.3 Динамическая структура верхней мезосферы и нижней термосферы

Тепловая структура верхней мезосферы и нижней термосферы тесно связана с их динамикой, которая определяется преобладающими ветрами, приливами и волнами. Исследования средних ветров и приливов в области верхней мезосферы и нижней термосферы на полярных широтах проводились наземными радиолокационными методами, т. е. с помощью метеорного радиолокатора, а также среднечастотного (СЧ), мезосферно-стратосферно-тропосферного (МСТ) и некогерентно-рассеивающего радиолокаторов (Manson and Meek, 1991; Virdi and Williams, 1993; Portnyagin et al.,1993a, 1993b; Kirkwood and Rechou, 1998; Manson et al., 1999; Portnyagin and Solovjova, 2000; Hocking, 2002; Mitchell et al., 2002; Kirkwood et al., 2000 (ста