Влияние космических лучей на интенсивности линий атмосферного озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн

Ястребов, Игорь Павлович

Влияние космических лучей на интенсивности линий атмосферного озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Ястребов, Игорь Павлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние космических лучей на интенсивности линий атмосферного озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн»

Автореферат диссертации на тему "Влияние космических лучей на интенсивности линий атмосферного озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн"

На правах рукописи

ЯСТРЕБОВ Игорь Павлович

ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ИНТЕНСИВНОСТИ ЛИНИЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА В ТРЕХМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН

ВОЛН

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2005

Работа выполнена на кафедре радиотехники радиофизического факультета государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

А. Г. Кисляков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

A.В. Якимов

кандидат физико-математических наук

B.Г. Рыскин

Ведущая организация:

Федеральное государственное научное учреждение Ордена Трудового Красного Знамени «Научно-исследовательский радиофизический институт»

Защита состоится "2Д" 2006 г. в часов на заседании диссертацион-

ного совета Д 212.166.07 в Нижегородском государственном университете имени Н. И. Лобачевского по адресу: 603950, Н. Новгород, ГСП-20, пр. Гагарина, 23, корп. 4, радиофизический факультет, ауд. 3.01

С диссертацией можно познакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан "К>" 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук,

доцент

В. В. Черепенников

Я006А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Озон оказывает большое влияние на жизнь на Земле, поскольку является естественным защитным экраном от ультрафиолетового излучения Солнца. Превышение уровня радиации этой части спектра может губительно сказаться на живых организмах, т.к. органические молекулы подвержены изменениям под ее воздействием. Выбрасываемые в атмосферу вещества могут разрушать озоновый слой. Содержание озона в атмосфере имеет тенденцию снижения, появляются области с аномально низкими значениями в распределении - так называемые "озоновые дыры".

В последние годы интерес к проблеме атмосферного озона возрос в связи с обнаружением влияния ряда факторов антропогенного происхождения на его содержание. Появились исследования, указывающие на возможность дополнительного разрушения озона в результате ядерных взрывов, полетов сверхзвуковой авиации, роста использования удобрений и т.д. В связи с этим исследования вариаций концентрации озона становятся актуальными. Известными примерами естественных причин понижения концентрации озона являются вулканические выбросы и солнечные протонные вспышки. В последнее десятилетие возросло внимание к воздействию космических лучей (КЛ) на содержание озона в атмосфере. Основное внимание исследователей приковано к изучению реакции мезосферно-го озона в полярных и приполярных областях на солнечную вспышку, а также озона нижней атмосферы на вариации галактических космических лучей (ГКЛ). Экспериментальным материалом для такого анализа являются результаты баллонных и спутниковых наблюдений.

Для изучения вариаций озона необходим комплексный подход с использованием различных методов. Наземное дистанционное зондирование имеет ряд преимуществ по сравнению с баллонными, ракетными и спутниковыми наблюдениями. Это возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, дешевизна и экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях. Микроволновый диапазон для дистанционного зондирования имеет ряд преимуществ по сравнению с инфракрасным. С уменьшением частоты увеличивается высотный предел дистанционного зондирования. Кроме того, для микроволн характерна слабая зависимость от присутствия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Радиодиапазон, в отличие от инфракрасного, может быть использован для изучения гораздо более высоких слоев атмосферы (верхней стратосферы и нижней мезосферы). Влияние КЛ солнечного происхождения (СКЛ) сильнее проявляется на больших высотах. Для повышения верхнего предела зондирования необходимо высокое разрешение по частоте измерительной аппаратуры. Все вышесказанное означает, что разработка аппаратуры для микроволнового дистанционного зондирования атмосферы является актуальной задачей. Кроме того, радиометрические измерения озона в микроволновом диапазоне дадут независимые экспериментальные факты, которые можно использовать для проверки гипотез воздействия различных факторов на озон (в частности, космических лучей). В ННГУ был построен измерительный комплекс для дистанционного зондирова-

ния атмосферы в полосе 90-110 ГТц с возможностью быстрой перестройки, позволяющая проводить почти одновременные наблюдения нескольких линий Цель этих наблюдений заключается в поиске нестационарных явлений в атмосфере, в т.ч. вызванных космическими причинами.

Цели и задачи работы

В данной работе ставились следующие цели:

1. Повышение верхнего высотного предела зондирования атмосферы путем повышения частотного разрешения радиометрического приемника.

2. Исследование влияния внеземных факторов на вариации атмосферного озона.

Для достижения целей решались задачи:

1. Усовершенствование измерительного комплекса дистанционного зондирования атмосферы ННГУ. Повышение частотного разрешения и чувствительности комплекса.

2. Проведение измерений нескольких спектральных линий атмосферного озона как для выявления временных вариаций каждой из них, так и для сравнения относительных интенсивностей линий.

3. Исследование корреляции временных вариаций интенсивностей теллурических линий озона и отношений интенсивностей линий с различными факторами, описывающими околоземные процессы.

4. Наблюдение вариаций интенсивностей линий во время частичного солнечного затмения.

Научная новизна работы

1. Обнаружена устойчивая корреляция (Ккор - 0,3...0,5) интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц с количеством нейтронов в зимне-весенний период. Это первое обнаружение корреляции нейтронов на основе данных микроволновых наблюдений озона с содержанием озона на высотах 30-50 км.

2. Исследована зависимость коэффициента корреляции KKop(&t) от временного сдвига. В ряде случаев обнаружен максимум Kmp(At) при сдвиге около 50-100 часов. В некоторых случаях в зависимости Kmp(At) четко проявляется периодичность с периодами около суток и 650 часов, совпадающими с периодами вращения Земли и Солнца вокруг своих осей.

3. Обнаружено изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значению) при переходе от слоя h - 25-30 км к слою h = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые. Проводившиеся ранее оптические наблюдения давали сведения только о нижнем слое озона, а теоретическое моделирование предсказывало на порядок меньший эффект, чем приводимый в диссертации.

4. Исследована возможность повышения частотного разрешения измерительного комплекса ННГУ для дистанционного зондирования атмосферы. Спектрора-диометр дополнен блоком цифровой обработки сигнала с цифровой фильтрацией на промежуточной частоте.

Практическая и теоретическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут бьггь использованы при исследованиях атмосферы Земли. Данные об интенсивностях теллурических линий озона и отношении их интенсивностей могут открыть нрвый способ исследования солнечно-земных связей. Разработанная аппаратура может быть использована для дальнейших исследований атмосферных процессов и влияния солнечных и галактических процессов на атмосферу.

Работа велась в рамках

- гранта РФФИ 01-02-16435,

- гранта ведущих научных школ НШ-1489.03,

-федеральной программы «Интеграция» (раздел «Фундаментальная радиофизика»),

- нескольких госбюджетных научно-исследовательских работ в НИЧ ННГУ. Вклад автора

Личное участие автора в полученных результатах следующее:

- автор принял участие в разработке и изготовлении ряда блоков измерительного комплекса, провел их тестирование и апробацию;

- выполнил серию наблюдений радиоизлучения атмосферы в спектральных линиях озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн;

- самостоятельно разработал алгоритм и программное обеспечение для блока цифровой обработки данных;

- исследовал данные, полученные из наблюдений, в том числе связь интенсивностей линий озона и их отношения с интенсивностями галактического и солнечного корпускулярного излучения.

Апробация результатов работы и публикации

Результаты диссертационной работы докладывались на «XX всероссийской конференции по распространению радиоволн» (Нижний Новгород, 2002), на годичном семинаре РАН (Апатиты, 2004), на всероссийской сессии молодых ученых МАПАТЭ (Нижний Новгород, 2003), на седьмой, восьмой и девятой нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2002-2004), на научных конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород, 2001-2003), на региональном семинаре совета РАН по проблеме распространения радиоволн, а также на семинарах Научно-исследовательского Радиофизического Института и кафедры радиотехники ННГУ.

По результатам работы опубликовано 3 статьи в рецензируемых центральных журналах и 15 работ в материалах научных конференций.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результат сопоставления данных измерений интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц за период 1996-2003 г. с числом нейтронов: обнаружение устойчивой корреляции (Ккор ~ 0,3...0,5) интенсивностей линий озона с числом нейтронов в зимне-весенний период.

2. Изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значению) при переходе от слоя h = 25-30 км к слою h = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые. Проводившиеся ранее оптические наблюдения давали сведения только о нижнем слое озона, а теоретическое моделирование предсказывало на порядок меньший эффект, чем приводимый в диссертации.

3. Методом «наложения эпох» показано, что солнечные протонные вспышки приводят к уменьшению содержания озона в полярных широтах в среднем на 20%, в умеренных широтах такой эффект не наблюдается.

4. Повышение частотного разрешения спектрорадиометра до 800 кГц на основе созданного блока цифрового анализа и соответственное понижение шумовой температуры приемника с помощью криогенного входного устройства до 400 К. Это позволяет повысить высотный предел зондирования озона до ~ 60-65 км.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех Глав, и Заключения. Объем диссертации составляет 118 стр., в том числе 101 стр. основного текста. Список литературы содержит 108 наименования и приведен на 8 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении изложены краткий исторический обзор проблемы озона, современное состояние задачи и актуальность исследований воздействия KJI на атмосферный озон. Приведены характеристики CKJI и ГКЛ, отмечены различия их энергетического спектра, временных масштабов, глубины проникновения в атмосферу. CKJ1 обычно характеризуются более быстрым спаданием спектральной плотности при росте частоты, т.е. сосредоточены на низких энергиях, тем самым и глубина их проникновения в атмосферу меньше. В то же время по интенсивности СКЛ преобладают над ГКЛ только в период солнечных вспышек. Такие события происходят после мощных взрывов на Солнце. При этом образуется ударная волна, несущая перед собой усиленное солнечное магнитное поле, которое затрудняет проникновение заряженных частиц внутрь высокоскоростного потока. Поэтому, когда Земля оказывается за фронтом ударной волны, интенсивность ГКЛ на Земле резко падает. Такое снижение интенсивности ГКЛ называется Форбуш-понижением. Наличие у Земли магнитного поля приводит к тому, что заряженные частицы скопляются в атмосфере в основном вблизи полюсов, поэтому их влияние на озон заметно именно в полярных районах. Существуют спутниковые, зондовые и наземные измерения KJ1. Для регистрации ГКЛ используют сеть наземных нейтронных мониторов, иногда измеренное число нейтронов интерпретируют как ГКЛ, хотя, строго говоря, в нем есть и солнечная составляющая.

Также во введении приводится описание метода микроволнового дистанционного зондирования атмосферы, его положение среди методов измерения содержания озона. Рассмотрены принципы построения радиометров для этого метода, рассказано о развитии микроволновой радиометрии в задаче дистанционно-

го зондирования. Также сформулированы цели и задачи работы, новизна, положении, выносимые на защиту, дано краткое описание содержания работы.

Первая глава посвящена использованию данных микроволновых наблюдений для исследования воздействия внеземных факторов на озон, в первую очередь космических лучей.

В разделе 1.1 дано описание аппаратуры и методики наблюдений спектральных линий атмосферных газов. Измерительный комплекс ННГУ - это радиометрический приемник модуляционного типа с двойным преобразованием частоты, со спектроанализатором, работающий в диапазоне 90... 110 ГГц. Анализатор спектра состоит из блока параллельного анализа (30 фильтров с полосами пропускания 2...3 МГц, перекрывающие полосу 30 МГц) и канала последовательного анализа (перестраиваемый фильтр с полосой 18 МГц). Кроме того, в радиометре имеется канал с шириной полосы пропускания порядка 1 ГТц. Этот канал используется для измерения интегральной мощности принимаемого сигнала по всей полосе анализа. Измерение мощности сигнала в широкой полосе позволяет учитывать влияние нерезонансного поглощения в атмосфере и производить коррекцию получаемых результатов. В работе использовался метод атмосферных "разрезов", Для многих спектральных линий примесных атмосферных газов характерны узкая спектральная область максимума в центре линии и достаточно протяженные периферийные области (крылья) с относительно медленным ослаблением интенсивности по мере удаления от центра. Такая форма линии для измерения ее контура подсказывает следующий алгоритм выбора сетки частот каналов радиометра: наименьший шаг по частоте и наибольшее частотное разрешение должны иметь каналы в частотной области вблизи центра линии.

Подчеркнуто, что основной характеристикой измеренных спектральных линий является их интенсивность или декремент, представляющий собой разность оптических толщин линии в полосе -25МГЦ, в таком случае эта величина описывает содержание озона в области высот 30-50 км.

Возможность быстрой перестройки радиометра позволяет измерять интенсивности двух (возможно, и более) линий атмосферных газов практически одновременно. Отношение интенсивностей измеренных одновременно линий может служить характеристикой перераспределения молекул по энергетическим уровням. Кроме того, флуктуации этого отношения являются индикатором отклонения от локального термодинамического равновесия. Поэтому задаче одновременного наблюдения теллурических линий уделяется достаточное внимание, а вариации отношения интенсивностей используются наряду с самими интенсивно-стями при исследовании влияния различных факторов на содержание составляющих атмосферы.

Первая часть раздела 1.2 посвящена описанию принципов отбора экспериментального материала для дальнейшего анализа, описывает требования, предъявляемые к измеренным точкам теллурических линий; при удовлетворении этих условий измерение считается достоверным. Вторая часть - методике сопоставления интенсивностей линий озона с космическими факторами, сводящейся к расчету коэффициента корреляции. Для N пар выборок величин х, и у, (г=1...Л/) последний оценивается по формуле

б)

в)

<П ...л« .

а) •;[' ' V^ft/1! *' = 1

где ~х и выборочные

N i.i N

средние значения. Также в разделе приведены формулы для вычисления доверительного Интервала и «порога значимости» Кц коэффициента корреляции при заданной погрешности q. Смысл этого порога заключается в том, что предположение нулевого коэффициента корреляции выполняется с вероятностью q при вычисленном К, равном Кч. Условие превышения К над Кч применяется как один из признаков достоверности получения значимой корреляции. В качестве другого способа используется расчет стандарта отклонения а при усреднении нескольких К„ полученных для различных значений временного сдвига между рядами At,. Этот способ применим, когда имеется достаточно много точек каждого ряда с дискретом, значительно меньшим, чем необходимый для исследования характера зависимости коэффициента корреляции от временного сдвига K(At).

Раздел 1.3 содержит описание первых результатов сопоставления данных собственных измерений озона с внеземными факторами. Эти результаты получены группой сотрудников каф. радиотехники ННГУ. Сначала искалась связь отношения интенсивностей линий с числами Вольфа и нейтронным излучением (фактически ПСЛ). Расчет коэффициента корреляции К показал отсутствие явной связи чисел Вольфа с поведением озоновых линий. В то же время между нейтронным потоком и отношением интенсивностей линий озона на частотах 101,7 и 96,2 ГГц по результатам измерений 19961998 и 2000 гг. получено среднее значение коэффициента корреляции 0,18. Отмечено, что для вычислений использовались короткие ряды данных (N = 15-35 точек), в результате найденное значение корреляции между отношением интенсивностей и нейтронным потоком находится на уровне погрешности вычислений, поэтому требует дополнительной проверки.

В разделе 1.4 приведены результаты расчетов К с интенсивностями линий озона 1\ и 12 и их отношения lJh с числом нейтронов, а также графики зависимости коэффициента корреляции от временного сдвига между рядами данных K(At) (примеры графиков см. на Рис.1). На их основе сделаны выводы:

Рис. 1. а,б,в. Графики коэффициентов корреляции числа нейтронов в зависимости от временного сдвига

■ Статистически значимая величина коэффициента корреляции /1 и /г с усредненным на интервале 1 ч числом нейтронов. В 10-ти случаях из 17-ти коэффициент корреляции положителен и лежит в пределах 0,28-0,63; во всех случаях его значение превышает 2а (в 8-ми > Ъа). Только два статистически значимых случая отрицательного коэффициента корреляции, отмеченного в осенне-зимний периоды 1996-97 г.г. и 2001г.

■ Статистически значимая величина коэффициента корреляции /2/Л с числом нейтронов (Ктр > 2а в 4-х случаях из 8-ми). Коэффициент корреляции лежит в пределах 0,23 - 0,31. Два статистически значимых случая отрицательного коэффициента корреляции.

■ Исследование зависимости Ккор(А/) показало, что в ряде случаев максимум коэффициента корреляции приходится на сдвиг около 50-100 часов. В некоторых случаях в зависимости Ккор{Дг) проявляется периодичность с периодом около суток и 650 часов, которые можно объяснить влиянием периодов обращения, соответственно, Земли и Солнца вокруг своих осей.

Эти факты дают независимые аргументы в пользу существования связи между интенсивностями теллурических линий озона и числом нейтронов. Подчеркнуто, что данная связь проявилась только для измерений, проведенных в зимне-весенний период (январь-апрель). Существуют работы, утверждающие повышенную корреляцию ОСО с ГКЛ в этот период.

Вторая глава посвящена исследованиям зависимости вариаций озона под воздействием КЛ на разных высотах и в разных географических точках, а также в период солнечного затмения. Для анализа используются данные микроволновых наблюдений в Апатитах (67°с.ш., 35°в.д.), Кольский полуостров и в Нижнем Новгороде (56°с.ш., 44°в.д.) в разные периоды в течение 1998 - 2003 гг., как правило, приходящиеся на зимние сезоны. Эти данные представлены в виде усредненных в течение дня спектров озона, на основе которых рассчитан профиль концентрации озона в диапазоне высот 20-60 км. Анализ ограничен рассмотрением высот Л = 25, 40, 60 км, как достаточно характерных и различающихся по своему поведению в периоды космических и атмосферных явлений.

Раздел 2.1 представляет собой описание используемых озонных данных, приведены их совместные графики с СКЛ и ГКЛ, перечислены отличительные особенности аппаратуры и метода измерений на станциях, данные которых используются.

В разделе 2.2 приведено сравнение коэффициентов корреляции по данным, полученным на установках ННГУ и ИПФ РАН в Н.Новгороде, когда велись одновременные наблюдения. Показано, что для двух из трех рассмотренных зимне-весенних периодов получены положительные коэффициенты корреляции между плотностью озона на высоте 40 км и числом нейтронов, что можно рассматривать как независимый факт обнаружения корреляции ГКЛ с содержанием озона в атмосфере.

Раздел 2.3 включает таблицу с результатами расчета коэффициентов корреляции плотности озона с СКЛ и ГКЛ (далее КР и К„ соответственно). Сделаны следующие выводы:

1) Взаимосвязь изменений числа нейтронов и озона имеет следующую особенность: с ростом высоты от 25 до 60 км, как в полярных, так и в умеренных

широтах среднее значение ЛГ„ для выделенной высоты меняет знак от отрицательного к положительному. В одних случаях это переход от статистически значимого отрицательного значения ~ - (0.4 - 0.6) до близкого к нулевому, в других это изменение от статистически незначимого до значимого положительного, лежащего в интервале 0.2-0.7. Средние значения Км для высот 25,40 и 60 км равны -0.26,0.1 и 0.21, соответственно

2) Корреляция между изменениями плотности Оэ (уровни 25, 40 и 60 км) и числом протонов близка к нулю или статистически незначима для относительно спокойных периодов солнечной активности (когда на исследуемых интервалах происходят либо редкие одиночные вспышки, либо вспышки отсутствуют вовсе). Исключение наблюдалось для одного из четырех рассмотренных периодов при сопоставлении содержания озона на высотах 40-60 км с протонами высоких энергий. Отметим, что значения К, вопреки ожиданиям получились положительными. Детальное же рассмотрение показывает, что почти каждая протонная вспышка вызывает падение плотности озона на следующий день, что особенно заметно в полярных широтах.

В представленных результатах не обнаруживается различий между умеренными и полярными широтами на используемых рядах данных (из-за погрешности расчетов и измерений или короткой длительности рядов). Либо по той причине, что на временных интервалах, которые являются определяющими при вычислении корреляции, характер вариаций плотности озона одинаков, а различия в амплитуде вариаций нивелируются при нормировке Кы и КР.

При анализе влияния КЛ на состояние озоносферы следует учитывать не только их взаимоисключающие эффекты, но и маскирующее действие атмосферных динамических процессов (например, стратосферных потеплений). Показан случай, когда отбрасывание точек, заведомо соответствующих стратосферному потеплению, приводит к росту КР и К„.

| 5К.9 1/см3

• ••

Апатиты

И. Новгород

а О

ДО

вспышки

35Е»9

после 11)00 вспышки

Сутки

•0,5

0,5 1 отклик озона,%

Рис. 2. Усредненная зависимость Рис. 3. Зависимость отклика озона

плотности озона на высоте 60 км от на вариации ГКЛ по результатам

солнечных вспышек по данным на- моделирования блюденийза 1999-2003.

В том же разделе были проанализированы методом «наложения эпох» данные содержания озона на высотах 25, 40, 60 км по данным измерений в Апатитах и Н.Новгороде за 1999-2003 гг. Результаты применения метода к плотности озона на высоте 60 км представлены на Рис. 2. Для Апатит было обнаружено понижение плотности озона на 20% (при стандарте отклонения в пределах 8-12 %), для Н.Новгорода такового эффекта не наблюдается.

Раздел 2.4 посвящен толкованию результатов предыдущего раздела касающихся К„. В работах казахских ученых (Федулина, Козин) утверждается, что после солнечной вспышки происходит уменьшение содержания озона в тропосфере по данным зондовых наблюдений. Показано, что вклад фотохимических реакций не может превосходить нескольких процентов. Теми же авторами рассмотрен еще один механизм - вертикальное перемещение озона, которое связано с изменением высотного профиля температуры в период эффекта Форбуша, а также показано, что такое вертикальное движение должно привести к изменению содержания озона до 40%, что согласуется с экспериментальными данными. Упомянутое перемещение озона вверх и обусловленное высотным профилем температуры ограничение движения такового вниз, видимо, должно приводить к увеличению концентрации озона на высотах 20-25 км. С другой стороны, результаты многочисленных независимых измерений показали, что при солнечной вспышке, сопровождающейся понижением уровня регистрируемых на Земле нейтронов, наблюдается падение содержания озона в области высот выше 40 км. Эти два независимых результата могут объяснить обнаруженную высотную зависимость Кы. На Рис. 3 приведен результат моделирования реакции озона на возмущения ГКЛ, полученные в эксперименте данные от расчетных отличаются только величиной. При этом экспериментальная зависимость знака отклика озона от высоты совпадает с расчетной.

Раздел 2.5 посвящен другому фактору, влияющему на содержание озона -солнечному затмению. В Н. Новгороде 31 мая 2003 г. произошло частичное затмение (-70%) и были выполнены измерения на обеих установках дистанционного зондирования (ННГУ и ИПФ РАН). Большинство измерений в мировой практике, в том числе и микроволновых, показали рост содержания озона во время солнечного затмения. Представлены данные измерений ННГУ. Изображены графики вариаций оптической толщины как за недельный период, включающий 31 мая, так на интервале несколько часов, соседствующих затмению. Отмечено, что низкие значения озона 30-31 мая, скорее всего, объясняются совпавшими с этим периодом протонной вспышкой и Форбуш-эффектом. Во время самого затмения отмечено понижение интенсивности линии озона.

Третья глава посвящена вопросам, касающимся повышения частотного разрешения измерительного комплекса ННГУ для дистанционного зондирования атмосферы. В разделе 3.1 показана связь разрешающей способности радиометра по частоте с чувствительностью ДТ, следующей из оценочного радиометрического соотношения

где Тш - шумовая температура радиометра, Л/ - время усреднения ФНЧ, 4/"- полоса сигнала, поступающего на квадратичный детектор. Из формулы видно, что повышение частотного разрешения радиометра, влечет за собой снижение чувствительности. Поэтому для сохранения последней при измерениях необходимо либо увеличивать время наблюдения, характеризуемое Д/, либо понижать Тш. Устройство и шумовые параметры охлаждаемого блока, специально изготовленного с целью понижения Тш, описаны в разделе 3.6. За счет охлаждения первого каскада преемника до температуры жидкого азота удалось уменьшить Тш в среднем до 400К в диапазоне частот 90-110 ГГц.

Радиометр был оснащен дополнительными частотными каналами с узкой полосой. Последующие разделы данной главы посвящены двум вариантам, которые реализованы в измерительном комплексе ННГУ. Первый вариант основывается на оцифровке сигнал на промежуточной частоте и дальнейшей цифровой обработке, включающей фильтрацию, квадратичное и синхронное детектирование. В разделе 3.2 перечислены достоинства и недостатки применения додетекторной цифровой обработки. Рассмотрены ограничения на частоту выборки и ширины фильтров, вытекающие из теоремы Котельникова, а также с учетом преобразования спектра при нелинейном квадратичном преобразовании.

Раздел 3.3 содержит описание аппаратной и программной реализации блока цифровой обработки. Рассмотрены два реализованных алгоритма цифрой обработки. Первый основан на последовательной реализации схемы полосовой фильтр - квадратичный детектор - синхронный детектор. Второй основан на применении квадратурного преобразователя (суть его в переносе сигнала на нулевую частоту и последующем применении ФНЧ). Перечислены достоинства и недостатки этих алгоритмов.

В разделе 3.4 представлены результаты измерения спектральных линий озона на частотах 101,7 и 96,2 ГГц с использованием добавленной цифровой схемы. Полученные точки по цифровым каналам представляют собой усредненное значение оптической толщины линии за несколько серий наблюдений, для каждой из которых достигается результат по аналоговым каналам. С одной стороны мы получаем результат успешного применения цифровой додетекторной обработки в задаче дистанционного зондирования атмосферы: погрешность измерений позволяет уверенно выделять контур линии, полученное отношение интенсивностей линий близко к теоретическому. С другой стороны, длительное время накопления си1 нала не позволяет пока использовать такую схему для анализа флуктуаций интенсивностей озонных линий и их отношения на периодах от получаса до нескольких часов (характерное время для отклонений содержания озона). Усредненные именно за этот период значения интенсивностей линий озона позволяли получать используемые ранее каналы радиометра. На Рис. 4 приведены результаты измерения центральной части линий по цифровым каналам. Величина 0 определяется соотношением

I = 1,2,3,... - номер канала, и,„ иг, и Цц - измеренные по каналам уровни сигналов при приеме радиоизлучения в направлении на зенит, горизонт и черное тело (согласно методу разрезов).

-1200 -800 -400 0 400 800 Отстройка от центра линии, кГц

Рис. 4. Результаты измерений центральной части линий озона по цифровым каналам. 1 - линия 96,2 ГТц 2-линия 101,7 ГГц

! ' 2 ' го Отстройка от центра пинии, Игц

Рис. 5. Результат измерения поглощения в линии озона на частоте 101736 МГц при использовании фильтрового узкополосного анализатора.

Поскольку времена усреднения для получения точек по узкополосным каналам оказались выше ожидаемых, была разработана альтернативная система аналоговой узкополосной фильтрации, которая описывается в разделе 3.5. В ней выход одного из каналов радиометра после третьего преобразования частоты подвергается дополнительной фильтрации. По-прежнему применяется параллельная схема обработки: 16 фильтров шириной 100 кГц в полосе 1,95-3,55 МГц. Приведены результаты измерений линий с использованием описанной системы (Рис. 5). Для представления результата данные усреднены по 4 соседним каналам, тем самым реальная разрешающая способность составила 400 кГц при достижении приемлемой точности. Этот результат поднимает высотный предел зондирования атмосферы средствами действующей на сегодняшний день аппаратуры до ~ 60 км.

В заключении сформулированы основные результаты работы, показаны их значение для разработки микроволновой техники и физики солнечно-земных связей. Отмечены вопросы, которые остались открытыми для исследования.

Основные результаты работы.

1. Систематизированы данные измерений интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц за период 1996-2003 г. Произведено сопоставление с числом нейтроном в приземном слое атмосферы. Обнаружена устойчивая корреляция (Ктр ~ 0,3...0,5) интенсивностей линий озона с числом нейтронов в зимне-весенний период. Это первое обнаружение корреляции ГКЛ с привлечением данных микроволновых наблюдений озона.

2. Исследована зависимость коэффициента корреляции, описанного в п.4, от временного сдвига КтДДО- В ряде случаев обнаружен максимум Ккор(ДО при сдвиге около 50-100 часов. В некоторых случаях в зависимости К^ДО четко проявляется периодичность с периодами около суток и 650 часов, совпадающими с периодами вращения Земли и Солнца вокруг своих осей на зависимости

к.оААО-

3. Обнаружено изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значе-

нию) при переходе от слоя h = 25-30 км к слою Л = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые и частично подтвержден данными оптических наблюдений озона и результатами моделирования.

4. Сопоставление результатов содержания озона с потоком протонов показало статистически значимые значения корреляции для периодов повышенной солнечной активности, а также для тех периодов спокойного Солнца, когда ряды количества протонов и нейтронов оказываются сильно коррелированными.

5. Использование метода «наложения эпох» продемонстрировало, что солнечные протонные вспышки приводят к уменьшению содержания озона в полярных широтах в среднем на 20%, для умеренных широт надежного результата не получено.

6. Проведено наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения 31 мая 2003г. Анализ данных показал тенденцию понижения содержания озона в фазе затмения с вероятностью 60-70%

7. Выполнена модификация измерительного комплекса ННГУ для дистанционного зондирования атмосферы - спектрорадиометра с последовательно-параллельным анализатором спектра. Исследованы характеристики охлаждаемого блока, который позволит достичь вдвое меньшей шумовой температуры приемника. Повышена разрешающая способность радиометра по частоте на порядок.

8. Реализована система цифровой обработки сигнала в радиометрическом приемнике, включающая квадратичное детектирование.

9. Проведена серия измерений поглощения в линиях озона на частотах 101736 и 96228 МГц с использованием цифровых фильтров полосой 800 кГц. Полученные результаты говорят о целесообразности и перспективности использования цифрового спектрального анализа в задаче дистанционного зондирования атмосферы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кисляков А.Г., Ястребов И.П., Вдовин В.Ф., Елисеев А.И., Лапкин И.В. Шумовые параметры криогенного преобразователя частоты 3-мм диапазона длин волн. // Труды 5-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2001г. Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород. 2001, с.140.

2. Кисляков А.Г., Шкелев Е.И., Вакс В.Л., Шулешов А.О., Ястребов И.П. Блок цифрового спектрально) о анализа многоканального радиометра 3-мм диапазона длин волн. - Труды 5-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2001г. Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород, 2001, с. 138.

3. Шкелев Е.И., Шулешов А.О., Ястребов И.П. Блок цифрового анализа для радиоспектрометра Зх-миллиметрового диапазона длин волн. // ПТЭ. 2002, № 4, с. 92.

4. Кисляков А.Г., Шкелев Е.И., Ястребов И.П., Савельев Д.В. Атмосферный озон: одновременные наблюдения линий J=2|j —<• 20,г и 4U —► 40А . Тр. XX всероссийской конференции по распространению радиоволн. Н.Новгород, 2-4 июля 2002 г., с 354-355.

5. Ястребов И.П., Шкелев Е.И. Применение цифровой спектральной фильтрации в наблюдениях линий атмосферного озона. В кн. Седьмая нижегородская сессия молодых ученых.. Н.Новгород. Нижегородский гуманитарный центр, 2002, с. 68.

6. Савельев Д.В., Ястребов И.П. Атмосферный озон и нейтронная солнечная активность в период 1996-2000 гг. // Труды 6-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2002 г. Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород, с. 160.

7. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Ястребов И.П. Сопоставление данных о нейтронных потоках с поведением линий атмосферного озона. // VIII нижегородская сессия молодых ученых, Н.Новгород, Нижегородский научно-информационный центр, 2003, с.114.

8. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Ястребов И.П. О корреляции числа нейтронов и интенсивностей линий озона в атмосфере. //Радиофизика. 2003. Т. 46, №11, с. 952.

9. Кисляков А.Г., Макаров А.Н., Шкелев Е.И., Ястребов И.П.. Атмосферные нейтроны и линии озона. Наблюдения 1996-2002 гг. // Труды 7-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2003 г. Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород. 2003, с. 156.

10. Кисляков А.Г., Ястребов И.П., Куликов Ю.Ю. Влияние геомагнитной активности на содержание озона выше 20 км по данным микроволновых наблюдений а авро-ральной зоне. // Труды 7-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2003 г. Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород. 2003, с. 140.

11. Кисляков А.Г., Шкелев Е.И., Ястребов И.П., Вакс B.J1. Фильтровой анализатор для спектрометра 3-мм диапазона длин волн с повышенным частотным разрешением.// Труды 7-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2003 г. Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород. 2003, с. 150.

12. Кисляков А.Г., Ястребов И.П., Куликов Ю.Ю. О влиянии космических лучей на стратосферный озон в полярных и умеренных широтах по данным наблюдений на миллиметровых волнах. //МАПАТЭ 2003. Труды 7-й всероссийской конференции молодых учёных. Нижний Новгород. ИПФ РАН, 2003, с. 98.

13. Кисляков А.Г., Куликов Ю.Ю., Ястребов И.П. О возможной связи стратосферного озона с интенсивностью космических лучей по данным наблюдений линий 03 на миллиметровых волнах. //Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия Радиофизика. Вып.2.Н.Новгород: ННГУ, 2004. с.161.

14. Кисляков А.Г., Ястребов И.П. Сопоставление результатов микроволновых наблюдений озона ННГУ с данными о космических лучах в период 1996-2003 гг. // Труды восьмой научной конференции по радиофизике. 7 мая 2004 г./Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2004, с. 114.

15. Кисляков А.Г., Ястребов И.П., Куликов Ю.Ю. О влиянии космических лучей на озоновый слой Земли по данным микроволновых наблюдений. //IX нижегородская сессия молодых ученых, Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В., 2004, с. 146.

16. Kulikov Y.Y., Yastrebov I.P. «The Influence of Cosmic Rays on Ozone above 20 km by microwaves observation». //"Physics of Auroral Phenomena", Proc. XXVII Annual Seminar, Apatity, Kola Science Center, Russian Academy of Science, 2004, p. 121.

17. Кисляков А.Г., Ястребов И.П. Наблюдение вариаций озона радиометрическим методом в период солнечного затмения 31 мая 2003 г. // Труды восьмой научной конференции по радиофизике. 7 мая 2004 г./Ред. A.B. Якимов. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2004, с. 112.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение................................................................ 5

Глава 1. Корреляция рядов интенсивностей измеренных линий атмосферного озона и нейтронного потока.

1.1. Описание радиометра и метода измерения атмосферного

поглощения...................................................... 25

1.2. Методика поиска связи содержания озона с космическими

факторами....................................................... 32

1.3. Ранние результаты сопоставления данных наблюдения линий озона

с внеземными источниками.................................... 39

1.4. Обнаружение корреляции потоков нейтронов с декрементами измеренных линий озона......................................... 41

Глава 2. Исследование широтной и высотной зависимости связи озона с

действием космических лучей. ,

2.1. Описание задачи и используемых данных............ 51

2.2. Сравнение расчета корреляции интенсивностей линий озона с потоком космических лучей по данным микроволновых наблюдений разных станций....................................... 53

2.3. Сравнение влияния протонного и нейтронного потоков на содержание озона в разных географических широтах и на разных высотах....................................................... 60

2.4. Толкование влияния вариаций потока нейтронов на содержание озона........................................................... 67

2.5. Наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения 31 мая 2003 г.............................................. 70

Глава 3. Исследование возможностей повышения разрешающей способности радиометра по частоте.

3.1. К вопросу о повышении частотного разрешения и чувствительности................................................ 75

3.2. Особенности применения цифровых методов в радиометрических задачах........................................................... 77

3.3. Описание аппаратной и программной реализации блока цифровой i* обработки........................................................ 81

3.4. Результаты измерений линий озона при использовании

цифровых фильтров..........................................................................................86

3.5. Дополнительная аналоговая система узкополосных фильтров 91

3.6. Криогенный блок для понижения шумовой температуры первого каскада приемника................................................................................94

Заключение ........................................................... 99

Приложение ........................................................... 102

Список литературы .................................................... 111

Подписано в печать 10.01.2006. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Зак. 9. Тир. 100.

Типография Нижегородского госуниверситета. Лиц. ПД № 18-0099 от 04.05.2001. 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

OOOGA

1824

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ястребов, Игорь Павлович

Введение

Глава 1. Корреляция рядов интенсивностей измеренных линий атмосферного озона и нейтронного потока. Jb 1.1. Описание радиометра и метода измерения атмосферного поглощения.

1.2. Методика поиска связи содержания озона с космическими факторами.

1.3. Ранние результаты сопоставления данных наблюдения линий озона с внеземными источниками.

1.4. Обнаружение корреляции потоков нейтронов с декрементами измеренных линий озона.

Глава 2. Исследование широтной и высотной зависимости связи озона с действием космических лучей.

2.1. Описание задачи и используемых данных.

2.2. Сравнение расчета корреляции интенсивностей линий озона с потоком космических лучей по данным микроволновых наблюдений разных станций. ф 2.3. Сравнение влияния протонного и нейтронного потоков на содержание озона в разных географических широтах и на разных высотах.

2.4. Толкование влияния вариаций потока нейтронов на содержание озона.

2.5. Наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения 31 мая 2003 г.

Глава 3. Исследование возможностей повышения разрешающей способности радиометра по частоте.

3.1. К вопросу о повышении частотного разрешения и чувствительности.

3.2. Особенности применения цифровых методов в радиометрических задачах.

3.3. Описание аппаратной и программной реализации блока

• цифровой обработки.

3.4. Результаты измерений линий озона при использовании цифровых фильтров.

3.5. Дополнительная аналоговая система узкополосных фильтров.

3.6. Криогенный блок для понижения шумовой температуры, первого каскада приемника.

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние космических лучей на интенсивности линий атмосферного озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн"

Озон оказывает большое влияние на жизнь на Земле, поскольку является естественным защитным экраном для ультрафиолетового излучения Солнца. Превышение уровня радиации этой части спектра может губительно сказаться на живых организмах, т.к. органические молекулы могут изменяться под ее воздействием. В последние годы интерес к проблеме атмосферного озона возрос в связи с обнаружением влияния ряда факторов антропогенного происхождения на его содержание, обнаружены области с аномально низкими значениями содержания озона - так называемые "озоновые дыры". В связи с этим исследования вариаций концентрации озона становятся актуальными.

Для озона характерно неравномерное распределение по высоте. Примерно до 15 км плотность озона остается практически постоянной (~1012см"3), далее с увеличением высоты она растет, достигая максимума на 20-25 км (~1013см"3). На больших высотах, наоборот, уменьшается с высотой (~10и см"3 на высоте 45 км). Около 90% озона находится в стратосфере. Кроме использованной выше концентрации, как меры количества озона, часто применяется понятие общего содержания озона (ОСО), как интеграл от концентрации по всей толще атмосферы.

Озон обладает закономерностями в распределениях по широте и по временам года. В масштабе полушария одно из самых ярко выраженных изменений - сезонные вариации. Установлено, что ОСО в северном полушарии увеличивается примерно на треть от минимального значения в ноябре до максимального в апреле. В южном полушарии, наоборот, ОСО максимально в октябре и минимально в феврале-марте, причем разница между экстремальными значениями меньше, чем в северном [1]. Кроме того, исследования последних лет установили зависимость годового хода максимума концентрации озона от высоты [2]. ОСО также обладает заметной широтной зависимостью: минимум концентрации наблюдается вблизи экватора, максимум концентрации в северном полушарии, приходящийся примерно на 60° с.ш., заметно выше, чем в южном [1].

По характеру протекающих процессов с участием озона атмосфера разделяется на две части. Диапазон высот до 20-30 км принято считать областью динамических вариаций озона, область высот выше 30-40 км -фотохимической областью.

В последние годы интерес к проблеме атмосферного озона возрос в связи с обнаружением влияния ряда факторов антропогенного происхождения на его содержание. С конца 70-ых - начала 80-ых годов наблюдается сильное уменьшение количества озона в весенний период над Антарктидой [3]. Полное содержание озона на высоких широтах в окрестности Южного полюса сократилось более чем на 50% в сравнении с тем, что наблюдалось до появления озоновой дыры. Оценка трендов изменения полного содержания озона в атмосфере такова: убывание содержания озона по данным 90-ых годов составляет 1.7±0.4% за десятилетие, в широтной зоне 35-90° - 2.0±0.8% за десятилетие [4].

До сих пор ученые не пришли к единому мнению о причинах уменьшения содержания озона в атмосфере. Большинство из них придерживается теории химического разрушения озона. Считается, что значительные потери обусловлены наличием в атмосфере химически активного хлора, основным поставщиком которого являются хлорофтороуглеводороды (фреоны, галогены и фтораны). Будучи химически нейтральными, фреоны образуют накопитель реагентов, разрушающих озон, таких как атомный хлор и окись азота. Другим естественным стоком озона является «нечетный» азот (NOx).

Для Антарктиды характерны чрезвычайно холодный полярный вихрь весной и полярные стратосферные облака из кристаллов льда и азотной кислоты. В таких физических условиях фреоны продуцируют озоноразрушающие соединения. В связи с этим был принят целый ряд международных соглашений (Монреальский протокол 1987, 1990г., Копенгагенское соглашение 1992 г., Киотский протокол) об ограничении выбросов в атмосферу фреонов. Даже с учетом этих ограничений, в связи с многократно увеличившимся за полвека содержанием хлора в атмосфере, с учетом накопления фреонов и глобальным потеплением, предполагается, что озоновая дыра над Антарктидой сохранится до 2045 г. [5]. В последние годы спутниковые наблюдения показали ослабление убывания озона в районе Южного полюса [6]. Также в последние годы появились исследования, указывающие на возможность дополнительного разрушения озона в результате ядерных взрывов, полетов сверхзвуковой авиации, запуска ракет, роста использования удобрений и т.д.

Отметим, что гипотеза связи озоновой дыры с выбросом фреонов считается доказанной, однако потери озона в средних широтах обусловлены той же причиной только с некоторой вероятностью. Наблюдаемая скорость убывания -2% в десятилетие дает годовые изменения озона такие же по порядку величины, как его годовые флуктуации. Поэтому кроме антропогенного воздействия, активно рассматриваются также естественные вариации озона. В качестве примеров естественных причин, вызывающих понижения концентрации озона, выдвигаются вулканические выбросы и сейсмоактивность. Например, резкое уменьшение содержания озона в период 1991-93 гг. связывают с извержением вулкана Пинатубо в Чили [7, 8]. Разрабатывается гипотеза связи озона с сейсмоактивностью [9, 10]. Существует предположение о влиянии северного полярного вихря на понижение концентрации озона над Сибирью [11].

Выяснение причин изменчивости стратосферного озона является важной задачей физики атмосферы. В настоящее время хорошо известно, что значительные колебания содержания озона на высотах выше 20 км могут быть связаны с динамикой атмосферы, в частности, со стратосферными потеплениями и внутренними гравитационными волнами [12, 13]. Существует ещё один тип возможных вариаций озона, обусловленных образованием окиси азота за счет космических лучей. Исследование этих вариаций является важным по следующим причинам. Во-первых, оно может наглядно показать, что стратосферный озон реагирует на известное изменение скорости преобразования молекул NOx. Во-вторых, эти вариации позволяют физически объяснить причины предполагаемого 11-летнего изменения ОСО. В-третьих, с вариациями связаны некоторые гипотетические механизмы длительных изменений земного климата, определяемых стратосферой. Основное внимание исследователей приковано к изучению реакции мезосферного озона на солнечную вспышку и озона нижней атмосферы на вариации галактических космических лучей, при этом практически нет сведений о том, как фоновые вариации космических лучей влияют на стратосферный озон.

В современной геофизике атмосферный озон рассматривают как возможный фактор, определяющий связующий механизм между активностью Солнца и погодными и климатическими изменениями. При этом главная роль стратосферного озона состоит в том, что его слой является буферной зоной, где приток энергии от внешних (в том числе тропосферных) источников модулируется, фильтруется, а затем передается в тропосферу или отражается от нее [1].

Предположение о влиянии флуктуаций поступления энергии из космоса на атмосферу Земли и жизнедеятельность человека возникло несколько веков назад. Отдельно при этом выделялась компонента солнечного происхождения, как достаточно доступная для оптических наблюдений. Сформировалась область исследований, названная физикой солнечно-земных связей, которая активно развивается и в наши дни. Для того, чтобы выделить различие между кратковременными энергичными всплесками и слабо меняющимся солнечным излучением, используют понятия солнечной активности и солнечной постоянной. Для описания корпускулярных потоков, поступающих из космоса, применяется термин «космические лучи» (KJ1). Последние разделяют на галактические космические лучи (ГКЛ) и солнечные космические лучи (CKJI). Различие связано с источником происхождения, а также сильно выражено в особенностях временных и спектральных характеристик.

ГКЛ состоят из протонов, ядер элементов и электронов с энергиями от о ОП

-10 до 10 эВ. Основные их составляющие - протоны (93,6 %) и альфа-частицы (6,3 %). Остающиеся 0,14 % включают в себя все другие элементы. Интенсивность электронов с энергиями более 100 МэВ, по крайней мере, на порядок величины меньше, чем интенсивность протонов [14].

В интервале энергий от Ю10 до 1015 эВ интегральный спектр всех частиц описывается функцией Еу с постоянным показателем степени у « 1.7 (Е - полная энергия). При величинах энергий, меньших Ю10 эВ, рост потока частиц замедляется и практически прекращается при Е < 109 (т.е. спектр становится плоским). Последнее означает, что в составе ГКЛ почти отсутствуют частицы очень малых энергий. При больших энергиях, в интервале 1015-1017 эВ, падение интенсивности происходит быстрее (у~2.2). Излом в спектре исчезает при самых высоких энергиях. Энергетическое распределение ядер подобно распределению протонов. Наблюдаются вариации KJI с циклом солнечных пятен для энергий, меньших ~5 БэВ. Измеренная величина потока частиц с энергией свыше 40 МэВ около

•л максимума солнечных пятен составляет ~ 0.2 частиц/см сек. стер. Для минимума солнечных пятен эта величина в ~ 2.5 раза меньше. Поскольку частицы КЛ заряжены, их траектории искривляются магнитными полями, и низкоэнергичные частицы не достигают поверхности Земли на низких географических широтах (геомагнитное «обрезание»). Ограничивающим фактором служит так называемая «жесткость»: отношение импульса частицы к ее заряду. Интенсивность КЛ на поверхности Земли на экваторе на 10% меньше, чем вблизи полюса. Но широтный эффект сильно увеличивается с высотой: уже на высоте 6 км он возрастает до 40%. Тем не менее, полное число пар ионов, образуемое ГКЛ в год в высоких широтах (географическая широта (р > 60°), меньше, чем в оставшейся части Земного шара за счет соотношения площадей.

Солнечные вспышки сопровождаются испусканием высокоэнергичных протонов, электронов и нейтронов. Спустя полчаса или более после регистрации больших видимых вспышек, на Земле наблюдаются протоны и более тяжелые ядра с энергиями до 200 МэВ. В CKJI энергия протонов ограничивается обычно долями ГэВ, иногда достигает нескольких ГэВ. Интенсивность CKJI падает с увеличением энергии резче, чем у ГКЛ, причем показатель степени интегрального спектра меняется от события к событию от 2 до 7. В случае если в потоке CKJI содержатся релятивистские протоны с энергией выше 1 БэВ, то таковые регистрируются на уровне моря. Иначе на уровне моря солнечные протоны не фиксируются. Если вспышка CKJI нарастает медленно, то интенсивность KJI может увеличиваться в течение 3032 ч. В случае быстронарастающей вспышки поток частиц достигает максимума уже спустя 30 минут после оптической вспышки. Многие численные характеристики ГКЛ и CKJI изложены в [14].

Отличительная черта KJI низких энергий — значительные временные изменения потока этих частиц, связанные как с процессами их распространения в межпланетной среде, так и с генерацией частиц на Солнце во время взрывных процессов. Напротив, поток KJI высоких энергий практически не меняется со временем. Высокоэнергичные частицы KJI при попадании в атмосферу Земли взаимодействуют с ядрами атомов кислорода и азота, образуя ливни вторичных частиц. Рожденные в первом взаимодействии вторичные частицы снова сталкиваются с ядрами атомов и дают новые частицы. Таким образом, процесс носит каскадный характер, увеличивающий число частиц в ливне во много раз [15].

Наблюдаются 11-летние, а также более длительные периоды в потоке ГКЛ. Отмечается отрицательная корреляция между ГКЛ и CKJI. Максимум ГКЛ может быть сдвинутым на 2-3 года относительно минимума СКЛ в сторону запаздывания, причем величина сдвига различна на разных станциях [1].

Наряду с долговременными происходят и более короткопериодные изменения потока KJI. К ним, прежде всего, относятся 27-дневные и суточные вариации. Кроме того, наблюдаются спорадические вариации, называемые Форбуш-понижениями (ФП), когда внезапно, в течение нескольких часов, поток частиц, регистрируемых наземными станциями, в атмосфере Земли или на космических аппаратах, начинает резко падать. Такие события происходят после мощных взрывов на Солнце. Образовавшаяся ударная волна распространяется в межпланетной среде со скоростью, достигающей 1 ООО км/с и более. Эта ударная волна несет перед собой усиленное солнечное магнитное поле, которое затрудняет проникновение заряженных частиц внутрь высокоскоростного потока. Поэтому, когда Земля оказывается за фронтом ударной волны, интенсивность KJ1 падает. Поскольку вспышки на Солнце происходят чаще всего в годы высокой солнечной активности, в эти периоды наиболее часто генерируются ударные волны и наблюдаются Форбуш-понижения KJI [15].

Поскольку энергетический спектр космических частиц лежит в широком диапазоне, для регистрации KJI используют разные подходы: используются как небольшие детекторы, устанавливаемые на космических аппаратах, так и огромные наземные установки, регистрирующие частицы предельно высоких энергий. Существует планетная сеть нейтронных мониторов для регистрации вторичных космических лучей. Иногда измеренное число нейтронов интерпретируют как ГКЛ, хотя, строго говоря, в нем есть и солнечная составляющая. Нейтронная компонента солнечного корпускулярного излучения (выбросов корональной материи) достаточно надежно обнаруживается с помощью как внеатмосферных датчиков, так и наземных нейтронных мониторов [16]. Получены изображения Солнца в нейтронных «лучах» (аппарат COMPTEL). Но все же выделение солнечной компоненты нейтронного потока наземными средствами представляет известные сложности по причине нестабильности нейтронов и из-за наличия их атмосферного «фона». В связи с этим для надежной регистрации солнечных нейтронных потоков используется планетная сеть мониторов (их насчитывается около 50). Считается, что нейтроны с энергиями более 300 МэВ, излучаемые солнцем во время вспышек, регистрируются со 100% надежностью по интегральному отклику сети мониторов [17]. Из других свойств нейтронов отметим, что время жизни свободного нейтрона составляет 103 секунд.

Для связи измеряемой на Земле меры интенсивности количества вторичных космических лучей с интенсивностью первичных KJI, используется корректировка на давление атмосферного столба: считается, что величина последнего характеризует рассеяние ГКЛ в атмосфере, и, как следствие, образование вторичных KJI.

В данной работе используются доступные в Интернет данные о протонах, зарегистрированных на спутнике GOES-8 и данные двух нейтронных мониторов, которые являлись наиболее близкими для рассматриваемых в работе радиометрических станций измерения озона.

Основной мерой солнечной активности является число солнечных пятен, видимых на диске Солнца - чем больше пятен, тем более активно. На поверхности активного Солнца возникают такие кратковременные явления, как солнечные вспышки, представляющие собой всплески электромагнитной энергии в видимой, ультрафиолетовой, рентгеновской части спектра, а также захватывает и радиодиапазон. Во время больших вспышек Солнце испускает релятивистские заряженные частицы: протоны, альфа частицы и электроны (называемые CKJI). Косвенными показателями активности Солнца служат полярные сияния, геомагнитные бури, изменения в интенсивности ГКЛ [1].

Еще в 1801 г. Гершель, исходя из соответствия между минимумом солнечных пятен и минимумом осадков, допустил возможность существования косвенной связи между числом пятен на Солнце и ценами на зерно. Число солнечных пятен начали наблюдать при помощи оптических телескопов в XVII веке, систематически фиксировать эту величину стали с начала XIX века, а в 1943 Швабе обнаружил циклическую закономерность минимумов и максимумов. Позднее были отмечены 11-, 22-, 80- и 90-летние циклы солнечной активности. Обнаружены корреляции активности Солнца с числом осадков, температурой, урожайностью, толщиной годовых колец прироста на срезе деревьев, а также содержанием озона и т.д. [1, 18, 19]. Как правило, речь идет о проявлении 11-летней периодичности в указанных величинах.

Космические лучи были открыты в 1912 голу Гессом. Кроме солнечной составляющей, по современным представлениям, источниками высокоэнергетичных KJI (фактически ГКЛ) могут служить взрывы сверхновых звезд, при этом частицы впоследствии ускоряются ударными волнами, сопровождающими эти взрывы [15]. Существуют предположения о связи ГКЛ с рядом климатических факторов на основе обнаруженных корреляций (аналогично ситуации с солнечной активностью). Первая гипотеза о связи ГКЛ с озоном была выдвинута в 1929 г. Андерсеном. Согласно ей ГКЛ ответственны за образование озона, так как широтное распределение интенсивности потока КЛ и общего содержания озона совпадает, а также существует ярко выраженный максимум концентрации озона примерно на тех высотах, где ГКЛ отдают основную часть своей энергии. Гипотеза не получила своего развития, поскольку для объяснения наблюдаемой концентрации озона согласно оценкам требуется интенсивность ГКЛ в 106 раз выше существующей. К настоящему времени показано, что совпадающими пространственно-временными характеристиками озона и ГКЛ являются вид высотного профиля, широтный ход, широтная зависимость высоты максимума, совпадение координат аномалий, совпадение экваторов, одинаковая северно-южная асимметрия [20, 21]. В 60-70-ых гг. проводились попытки связать свойства ГКЛ с 11-летними вариациями озона, однако полной и убедительной оценки масштаба влияния КЛ на озон не получено. Однако в то же время появлялись работы, в которых говорилось об обнаруженной положительной корреляции содержания озона и KJI в 11-летнем солнечном цикле [14].

Влияние солнечных событий на содержание озона привлекло внимание исследователей с 70-ых годов XX века (см, например, работы Крутцена и др. [22,23]). После сильной протонной вспышки 4 августа 1972 было замечено снижение уровня озона. Подобные явления в полярных широтах были зафиксированы после протонных вспышек в последующие годы [24, 25]. Падение содержания озона после протонных вспышек может достигать десятков процентов. Воздействия солнечных событий (1989, 1991, 1997 гг.) стали предметом для моделирования атмосферных процессов рядом авторов [14, 26 - 35]. Анализ современного состояния исследований в области наблюдений и модельных оценок влияния ГКЛ и CKJI на малые газовые составляющие средней атмосферы изложены в обзорах [14, 36].

Проводились исследования, показывающие, что высыпания релятивистских электронов (ВРЭ) также могут привести к росту скорости образования N0, и таким образом влиять на содержание озона в атмосфере [14]. Существует гипотеза, согласно которой именно ВРЭ, являются постоянным источником Н0Х и NOy в атмосфере, и именно вариации этого источника объясняют долговременные тренды глобального содержания озона в период 1979-1985 гг., выявленные в данных экспериментов SAGE, SAGE-II.

Считается, что основной механизм воздействия KJI сводится к росту ионообразования с последующим продуцированием озоноактивных соединений (Н0Х, NOy и др.) [14]. Механизм представляется как результат нескольких десятков химических реакций [26]. В последние годы появились утверждения о том, что гомогенная фотохимическая теория (которая включает только газофазные реакции кислорода, азота и их окислов) не в силах объяснить величины наблюдаемого эффекта в озоне. Поэтому был предложен триггерный механизм воздействия KJI на содержание озона, включающий гетерогенные фотохимические процессы, нарушения температурного или электрического баланса атмосферы, образование или разрушение полярных стратосферных облаков или аэрозолей. В пользу этих предположений идут полученные экспериментально результаты увеличения концентрации аэрозоля, а также исследования, выяснившие уменьшение облачности и отклонения в температурном профиле после солнечной вспышки. Однако гипотеза триггерного механизма еще не получила теоретической разработки [14].

Важные результаты были получены группой казахских ученых. Анализ данных среднеширотных озонометрических станций привел к заключению о том, что понижения ГКЛ вызывают уменьшения плотности озона на высотах от поверхности Земли до 20 км. Рассчитанный коэффициент корреляции составил 0.34. Также был предложен механизм вертикального перемещения озона, который может объяснить эту корреляцию на указанных высотах. Соответственно отмечалось, что при увеличении высоты должна наблюдаться смена знака коэффициента корреляции [20, 21]. Что касаемо ОСО, то однозначного ответа о реакции озона не получено. В работе [37] сообщается о 10-15%-ном увеличении ОСО на шести станциях европейской территории России во время ФП потока ГКЛ 15 февраля 1978г. В то же время в работе [38] говорится уже о понижении ОСО в периоды ФП. В работе [39] автор делает вывод о постоянстве общего содержания озона во время ФП.

В работе [40] приведено сравнение моделирования влияния КЛ на атмосферные составляющие. Для озона модель показала положительный отклик до 0.5% на высотах 0-20 км, такой же отрицательный на высотах 2035 км, и на порядок слабее положительный на высотах 40-50 км. Отмечено, что в эксперименте наблюдаются значительно большие значения реакции озона, чем в расчетах.

Как следует из вышесказанного, характер воздействия KJI на озон еще не изучен полностью. Кроме того, многие результаты оказываются в противоречии друг с другом. При этом достаточно надежно определен сам факт влияния КЛ на озон. Поэтому актуальными являются как теоретические разработки, касающиеся проблемы, так и дополнительные экспериментальные исследования. В данной работе рассмотрено влияние KJI на вариации озона с использованием результатов микроволновых наблюдений.

Классические способы измерения озона сводятся к баллонным и спутниковым наблюдениям. Систематические наблюдения озона проводятся с начала XX века. Во второй половине этого столетия получил развитие еще один метод, получивший название радиометрического. Основан он на измерении оптической толщины собственного излучения атмосферы на частотах, соответствующих энергетическим переходам молекулярного озона, являясь разновидностью наземного дистанционного зондирования. Преимуществами этого метода являются возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях, и относительно низкая стоимость. Традиционно для зондирования атмосферы использовались инфракрасный и ультрафиолетовые диапазоны [41]. Измерения в переходах, лежащих в микроволновом диапазоне, в меньшей степени зависят от наличия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Для микроволнового диапазона выше верхний высотный предел зондирования (до 70-80 км против 40 км в ИК диапазоне). Верхним высотным пределом называется высота, при превышении которой ширина линии перестает зависеть от высоты, тем самым пропадает возможность восстановления высотного профиля газов. Микроволны большей частью поглощаются в линиях водяного пара и кислорода. Только в частотных интервалах между этими линиями, называемых окнами прозрачности, возможны наблюдения линий примесных атмосферных газов, в том числе озона. Радиометрические измерения озона в линиях микроволнового диапазона иногда называют еще микроволновыми или радиоастрономическими (по сути метода).

Активное применение радиоастрономических методов в исследованиях озоносферы ведется с 80-ых годов XX века как с использованием бортовых радиометров, так наземных станций [42, 43]. Впервые линии примесных газов были обнаружены при помощи микроволновых методов в конце 60-ых начале 70-ых годов [44 - 47]. В нашей стране работы, связанные со спектральными измерениями атмосферного поглощения в линиях озона и других примесных газов, начались в Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) и Институте прикладной физики АН СССР (ИПФ) (оба в Н. Новгороде, до 1990г. - Горьком). Первые наблюдения велись методом последовательного анализа с достаточно низким разрешением (5-10 МГц), которое со временем улучшалось (до 1 МГц и меньше).

Измерения оптической толщины в линиях озона, результаты которых дали согласие с расчетом, впервые проведены в г. Н.Новгороде в 1974-75 гг. [47, 48], линия озона на частоте 96,2 ГГц получена в 1978 г. [49], в 1979 г. измерен контур линии на частоте 142,2 ГГц [50]. В 1983 г. в горах Заилийского Ала-Тау проводились измерения линии озона на частоте 142,2 ГГц. По результатам трехдневных измерений определено количество озона в атмосфере Земли, обнаружено, что вариации количества озона для Н.Новгорода и Алма-Аты противоположны по знаку [51, 52]. С осени 1986 до весны 1988 проведены долговременные круглосуточные наблюдения в г. Апатиты (Кольский п-ов) [53-56]. Выяснилось, что по сравнению со средними широтами в полярных изменения интенсивности и контура линии озона отличались большим разнообразием. В зимне-весенний период 1988-89 гг. на о. Хейса (архипелаг Земля Франца-Иосифа) выполнен комплексный эксперимент по изучению структуры и динамики озонового слоя в полярных широтах, по результатам которого наряду с другими методами микроволновый показал свою надежность [57-59]. В 1989-1990 проводились наблюдения атмосферного озона в Антарктиде [60]. В 90-ых годах при помощи двухлучевого радиометра были обнаружены пространственные неоднородности в распределении стратосферного озона, названные «озоновыми облаками» [61].

Исследования озона микроволновым методом в России проводятся также в Физическом Институте Академии Наук (ФИАН, Москва) [41, 62-64]. В последние годы был разработан комплекс для исследований озона на частоте 142 ГГц. В его состав входит акустический анализатор спектра, который превосходит другие типы анализаторов по чувствительности и широкополосности [65].

В ННГУ был построен измерительный комплекс для дистанционного зондирования атмосферы в полосе 90-110 ГГц, основным достоинством которого является возможность быстрой перестройки, позволяющей проводить почти одновременные наблюдения нескольких линий [66-69]. Цель этой программы наблюдений заключается в поиске нестационарных явлений в атмосфере, в т.ч. вызванных космическими причинами. Аппаратные возможности позволяли получать информацию о содержании озона в диапазоне 30-50 км при усреднении около 1 часа. При использовании данного комплекса были получены серии наблюдений поглощения в линиях озона на частотах 101736МГц и 96228 МГц [66, 67]. Подчеркнем, что это были впервые проведенные одновременные измерения двух линий озона. Именно одновременность наблюдений двух линий позволяет получать такую характеристику как отношение интенсивностей двух линий озона.

Несколько слов о физической интерпретации отношения интенсивностей линий. В последние годы в атмосфере были обнаружены нарушения локального термодинамического равновесия для вращательных степеней свободы молекул. Ранее такие нарушения наблюдались, прежде всего, для колебательных степеней свободы. Выполнение условия локального термодинамического равновесия необходимо при решении обратной задачи восстановления профиля концентрации озона [70]. Нарушение равновесного распределения молекул по энергетическим уровням приводит к отклонениям отношения интенсивностей линий озона, принадлежащих разным переходам. Отклонения в содержании озона при действии возмущающих факторов в верхней стратосфере происходят за время порядка нескольких часов [71]. Поэтому при интерпретации переменчивости радиоизлучения озона важно не только учитывать процессы фотохимии и переноса, но и следить за сохранением локального термодинамического равновесия озоновых молекул, что может быть реализовано одновременным наблюдением линий, принадлежащих разным переходам.

В данной работе решалась задача усовершенствования описанного измерительного комплекса. В результате построен блок для уменьшения его шумовой температуры, почти на порядок увеличена разрешающая способность радиометрического приемника по частоте. Полученные временные ряды интенсивностей линий (а также их отношения) позволили исследовать вариации перечисленных параметров. В данной диссертации была поставлена задача изучения воздействия таких внеземных источников на интенсивности линий озона и их отношения (в том числе протонных солнечных вспышек, солнечного ветра, космических лучей, УФ излучения). A priori не известно, влияние какого из них наиболее значимо. Отдельный интерес вызывают исследования влияния космических лучей (как CKJI так и ГКЛ). С одной стороны, реакция озона на КЛ была обнаружена из результатов других методов, с другой, наибольшее влияние было отмечено на высотах, не попадающих в диапазон нашего прибора. Поэтому целью работы стали как получение независимых данных о влиянии КЛ, так и исследование высотной зависимости характера воздействия КЛ на озон, а также выяснения влияния KJI на отношение интенсивностей линий.

Отдельным пунктом в целях работы стоит наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения. До сих пор отсутствует однозначный ответ о присутствии отклика озона во время затмения, а набор имеющихся данных микроволновых наблюдений достаточно узок [72, 73]. Кроме того, наибольший отклик озона ожидается именно на высотах, доступных микроволновому методу.

Цели и задачи работы

В данной работе ставились следующие цели:

2. Исследование влияния внеземных факторов на вариации атмосферного озона.

Для достижения целей решались задачи:

1. Усовершенствование комплекса дистанционного зондирования атмосферы ННГУ. Повышение частотного разрешения и чувствительности измерительного комплекса.

4. Наблюдение вариаций интенсивностей линий во время частичного солнечного затмения.

Научная новизна работы

1. Обнаружена устойчивая корреляция (Ккор ~ 0,3.0,5) интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц с количеством нейтронов в зимне-весенний период. Это первое обнаружение корреляции нейтронов на основе данных микроволновых наблюдений озона с содержанием озона на высотах 30-50 км.

2. Исследована зависимость коэффициента корреляции KKOp(At) от временного сдвига. В ряде случаев обнаружен максимум KKOp(At) при сдвиге около 50-100 часов. В некоторых случаях в зависимости KKOp(kt) четко проявляется периодичность с периодами около суток и 650 часов, совпадающими с периодами вращения Земли и Солнца вокруг своих осей.

3. Обнаружено изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значению) при переходе от слоя h = 25-30 км к слою h = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые. Проводившиеся ранее оптические наблюдения давали сведения только о нижнем слое озона, а теоретическое моделирование предсказывало на порядок меньший эффект, чем приводимый в диссертации.

4. Исследована возможность повышения частотного разрешения измерительного комплекса ННГУ для дистанционного зондирования атмосферы. Спектрорадиометр дополнен блоком цифровой обработки сигнала с цифровой фильтрацией на промежуточной частоте

Практическая и теоретическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при исследованиях атмосферы Земли. Данные об интенсивностях теллурических линий озона и отношении их интенсивности могут открыть новый способ исследования солнечно-земных связей. Разработанная аппаратура может быть использована для дальнейших исследований атмосферных процессов и влияния солнечных и галактических процессов на атмосферу. Работа велась в рамках

- гранта РФФИ 01-02-16435,

- гранта ведущих научных школ НШ-1489.03,

- федеральной программы «Интеграция» (раздел «Фундаментальная радиофизика»),

-нескольких госбюджетных научно-исследовательских работ в НИЧ ННГУ.

Вклад автора

Личное участие автора в полученных результатах следующее:

- самостоятельно разработал алгоритм и программное обеспечение для блока цифровой обработки данных;

Апробация результатов работы и публикации

Результаты диссертационной работы докладывались на «XX всероссийской конференции по распространению радиоволн» (Нижний Новгород, 2002), на годичном семинаре РАН (Апатиты, 2004), на всероссийской сессии молодых ученых МАПАТЭ (Нижний Новгород, 2003), на седьмой и восьмой нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2002, 2003), на научных конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород, 2001-2003), на региональном семинаре совета РАН по проблеме распространения радиоволн, а также на семинарах Научно-исследовательского Радиофизического Института и кафедры радиотехники ННГУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результат сопоставления данных измерений интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц за период 1996-2003 г. с числом нейтронов: обнаружение устойчивой корреляции (Ккор ~ 0,3.0,5) интенсивностей линий озона с числом нейтронов в зимне-весенний период.

Вкратце о содержании работы.

В первой главе в начале описываются аппаратура и метод измерения содержания озона, при помощи которых выполнена работа, приводятся примеры наблюдаемых линий озона. Основная часть главы посвящена результату сопоставления данных наблюдений теллурических линий озона с числом нейтронов. Описаны подход к отбору экспериментальных данных, используемых для анализа, методика сопоставления. Приведены рассчитанные коэффициенты корреляции, исследована зависимость коэффициента корреляции от временного сдвига.

Во второй главе производится верификация результата предыдущей главы, путем сравнения с данными других станций микроволновых наблюдений озона. С другой стороны, определение коэффициентов корреляции KJI с плотностью озона на выделенных высотах выступает как независимый тест. Приведены значения коэффициентов корреляции плотности озона на нескольких высотах с потоками ГКЛ и CKJL Сделан вывод о тенденции смены знака корреляции плотности озона с ГКЛ при изменении высоты и появления значимых коэффициентов корреляции озона с СКЛ при повышенной активности Солнца. Приведены результаты применения альтернативного независимого способа исследования связи двух величин - метода «наложения эпох». Этот независимый тест показал, что в полярных широтах влияние вспышек на Солнце на плотность озона на высотах 40-60 км сильнее, чем в умеренных. Также в данной главе приводится результат измерения линии озона во время солнечного затмения 31 мая 2003 г.

Третья глава посвящена вопросу повышения частотного разрешения радиометра, исследованы несколько путей достижения этого, попутно рассмотрен вопрос повышения чувствительности. Подробно описана реализация тех блоков радиометра, в изготовлении, внедрении, тестировании которых автор принял участие. Особое внимание уделено реализации цифровой фильтрации и последующего детектирования после оцифровки на промежуточной частоте. Приведены результаты испытаний модернизированной радиометрической системы.

В заключении перечислены основные результаты работы, указаны вопросы, которые остались открытыми для дальнейшего исследования.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

Заключение.

Перечислим основные результаты работы.

1. Систематизированы данные измерений интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц за период 1996-2003 г. Произведено сопоставление с числом нейтроном в приземном слое атмосферы. Обнаружена устойчивая корреляция (Ккор ~ 0,3.0,5) интенсивностей линий озона с числом нейтронов в зимне-весенний период. Это первое обнаружение корреляции ГКЛ с привлечением данных микроволновых наблюдений озона.

2. Исследована зависимость коэффициента корреляции, описанного в п.4, от временного сдвига KKop(At). В ряде случаев обнаружен максимум KKOp(At) при сдвиге около 50-100 часов. В некоторых случаях в зависимости KKOp(At) четко проявляется периодичность с периодами около суток и 650 часов, совпадающими с периодами вращения Земли и Солнца вокруг своих осей на зависимости KKop(At).

3. Обнаружено изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значению) при переходе от слоя h = 25-30 км к слою h = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые и частично подтвержден данными оптических наблюдений озона и результатами моделирования.

6. Выполнено наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения 31 мая 2003г. Анализ данных показал тенденцию понижения содержания озона в фазе затмения с вероятностью 60-70%.

7. Выполнена модификация измерительного комплекса ННГУ для дистанционного зондирования атмосферы - радиометра с последовательно-параллельным анализатором спектра. Исследованы характеристики охлаждаемого блока, который позволит достичь вдвое меньшей шумовой температуры приемника.

8. Реализована система цифровой обработки сигнала в радиометрическом приемнике, включающая квадратичное детектирование. Повышена разрешающая способность радиометра по частоте до 800 кГц.

Отметим, что эти результаты, полученные при решении отмеченных во введении задач, ставят новые вопросы для исследователей и разработчиков. За рамками задачи осталась реализация системы с обработкой сигнала в реальном времени и с использованием специализированных схем ЦПС. Также важным будет достижение в такой системе времени усреднения и накопления данных в пределах часа с приемлемой точностью измерений для анализа поведения спектральных линий при частотном разрешении -100 кГц.

Актуален вопрос исследования механизмов влияния космических лучей на озон. Для этого требуется кроме построения и расчета моделей химических и динамических процессов в атмосфере, проводить их сопоставление с результатами экспериментов. Микроволновые измерения позволяют получить информацию о высотных профилях озона в диапазоне высот, затрагивающих и динамическую, и фотохимическую области, и переходную между ними. Причем необходим анализ вариаций составляющих атмосферы на более коротких промежутках времени (нескольких минут), чтобы отследить динамику изменений во время роста протонной вспышки или других быстрых процессов.

Остается открытым вопрос различия реакции озона во время ФП, совпадающим с солнечной протонной вспышкой и ФП без изменений в потоке СКЛ. Поскольку отмечены различия в отклонениях температурного профиля для этих двух случаев, то следует предположить, что может быть различным и перераспределение озона по высотам. Неизучена до конца степень влияния динамических процессов (например, стратосферных потеплений) на поведение озона, насколько они могут маскировать воздействие космических лучей, или насколько сами зависят от таковых.

Полученные в работе результаты связи космических лучей с содержанием озона в стратосфере являются с одной стороны независимым экспериментальным фактом, подтверждающим наличие влияния KJ1 на озон, с другой - определением масштаба этого влияния в диапазоне высот, который недосягаем для ряда методов.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Автор выражает благодарность прежде всего научному руководителю, Шкелеву Евгению Ивановичу и Савельеву Дмитрию Валерьевичу за помощь в подготовке и проведении эксперимента, а также за ценные советы при написании работы, а также всем тем, кто способствовал созданию данного труда, в том числе: Куликову Ю.Ю., Канакову В.А, Орлову И.Я., Лапкину И.В., Елисееву А.И., Вдовину В.Ф., Вашенюку Э.В., Демину В.И. и др.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ястребов, Игорь Павлович, Нижний Новгород

1. Герман Дж. Р., Голдберг Р.А. Солнце, погода и климат. -JI: Гидрометеоиздат, 1981. 320 с.

2. Красильников А.А., Куликов Ю.Ю, Рыскин В.Г. и др. Микроволновое радиометрическое зондирование верхней атмосферы над Нижним Новгородом.// Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1998, №11, с.1404-1423.

3. Farman J.C., Gardiner B.J. & Shanklin J.D. Nature.1995. v.315, p.207

4. Еланский Н.Ф. и др. Исследования предельных возможностей повышения точности измерения вертикального распределения озона с помощью спектрофотометра Брюстера. //Изв. АН СССР, сер «Физика атмосферы и океана». 1999, т. 35, №1.

5. WMO. Global Ozone Research and Monitoring Project 1991. Rep No. 25. 1994. Rep No. 37.

6. Newchuch M.J., Yang Eun-Su., Cunnold D.M., et. al. Evidence for slowdown in stratospheric ozon loss: first stage of ozone recovery.// J. Geophys. Res. 2003. Submitted.

7. Brasseur G.&Granier C. //Science. 1992, v.257, p. 1239.

8. McCormic M.P., Thomason L.W. & Trepte C.R. Nature 1995, v. 373, p.399.

9. Тертышников A.B., Акселевич B.H. Перспективы исследования сейсмоозононных объектов. //В кн. Атмосферный озон. Труды конференции молодых ученых (Москва, 6 апреля 1995 г.). Препринт, с.73.

10. Искандарова В.М. О возможной связи атмосферного озона с землетрясениями.// Атмосферный озон. Труды Всесоюзной конференции по атмосферному озону. Суздаль, октябрь 1988г. М: ГМИ. 1990. с.224-225.

11. Bojkov R.D., Fioletov V.E., Ballis D.S. et al. Geophys. Res. Lett. 1995, v. 22, p.2729.

12. Борисов O.H., Дёмкин B.M., Куликов Ю.Ю., и др., Вариации стратосферного озона в полярных широтах. //Изв. АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана», 1989, 25, № 10, 1033-1039.

13. Куликов Ю.Ю., Красильников А.А., Рыскин В.Г., Результаты микроволновых исследований структуры озонового слоя полярных широт во время зимних аномальных потеплений стратосферы. // Известия АН, «Физика атмосферы и океана», 2002, 38, № 2, 182-191.

14. Криволуцкий А.А., Куминов А.А., Репнев А.И., Влияние космических лучей на озоносферу Земли (обзор).//Геомагнетизм и аэрономия, 1999, 39, № 3, 3-15.

15. Жданов Г.Б., Стожков Ю.И. Физика космических лучей на пороге XXI века. //Природа, №2,2001, c.l 1.

16. O'Brien К., Sauer Н.Н. // Int. J. of Geomagnetism and Aeronomy. 2001. No 3.

17. Иванов-Холодный Г.С. Солнечная активность и атмосфера. //Земля и Вселенная, 1999г., №2, с. 80.

18. Марпл мл. Цифровой спектральный анализ. М. Мир 1990, 585 с.

19. Федулина И.Н. Роль космических лучей в изменениях концентрации озона в среднеширотной атмосфере. Кандидатская диссертация, Институт ионосферы, Алматы, 1998.

20. Федулина И.Н. Роль космических лучей в управлении вариациями концентрации озона. //В кн. Атмосферный озон. Труды конференции молодых ученых (Москва, 6 апреля 1995г.). Препринт, с.65.

21. Crutzen P.J. Isaksen I.S.A. and Reid G.C. Solar proton events: stratospheric sources of nitric oxide. // Science, 1975, 189, 457-458.

22. Heath D.F., Kruger A.J, and Crutzen P.J. Solar proton event: influence on stratospheric ozone. //Science, 1977, 197, 886.

23. Jackman С.Н., Мс Peters R.D., Labow G.J., et al., Northern. Hemisphere atmosphere effects due to the July 2000 solar proton event. //Geophys. Res. Lett, 2001, v 28, No 15, p 2883-2886.

24. Криволуцкий A.A., Куминов A.A., Репнев А.И. Моделирование реакции озоносферы на солнечную протонную вспышку в ноябре 1997 г.// Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т.41, № 2, С.243-252.

25. Shumilov O.I., Henriksen К., Rasponov О.М., Kasatkina Е.А. Arctic ozone abundance and Solar proton events. // Geophys. Res. Lett. 1992. V.19,No 16, P. 1647.

26. Jackman C.H., Nieljen F., Allen D.T., etc. Solar proton events on the stratospere as compared using a 3-D model. //Geophys. Res. Lett. 1993. V20,No 6, P.32.

27. Jackman, C.H., et.al. Influence of Extremely large solar proton events in a changing stratosphere.// Geophys. Res., 2000. v.105, p. 11659-11670.

28. Krivoluzky, A.A. Cosmic ray influence on chemical comosition of the atmosphere of the Earth.// Advances in Space Research, 2001. v.27, p. 1993-2002.

29. Krivoluzky, A., Kuminov A., Vyashkova Т., Perejaslova N., Nazarova M. Proton activity of the sun during 23d solar maximum and its response in ozonosphere of the Earth.// Advances in Space Research, 2003. v.31, p. 2151-2156.

30. Ondrashkova A., Krivoluzky, A., Lastochkina J. Changes of the neutral and ionized composition in the D-regionafter solar proton event in october 1989 (model simulation). //Advances in Space Research. 2003, v.31, No. 9, pp. 2169-2176.

31. Reid G.C., Solomon S., Garsia R.R. Response Of the Middle atmoshere to the solar proton events of August-December, 1989. //Geophys. Res. Lett. 1991. VI8,No 6, P.1019-1022.

32. Thorne R., The importance of Energetic Partical Precipitation on the Chemical Composition of the middle atmosphere. //Pageopt, 1980, v. 118, p. 128149.

33. Задорожный А.Н., Кихченко В.Н., Кокин Г.А. и др. Реакция средней атмосферы на солнечное протонное событие в октябре 1989 г. //Геомагнетизм и аэрономия, т32, №2, с 32-40.

34. Krivoluzky, А.А. History of cosvic rays influence on ozone layer-key steps. //Advances in Space Research. 2003, v.31, No. 9, pp. 2127-2138.

35. Ф 37. Шумилов О.И., Касаткина E.A., Распопов O.M. и др. Воздействие

36. Форбуш-понижений галактических космических лучей на озоновый слой.

37. Геомагнетизм и Аэрономия. 1997, т.37, №1, с. 24-31.

38. Козин И.Д., Федулина И.Н., Чакенов Б.Д. Изменение общего содержания озона при возмущениях космических лучей в периоды Форбуш-понижений. // Метеорология и гидрология. 1994. №10. С.31-33.

39. Ролдугин В.К. Постоянство общего содержания озона при вторжении релятивистских протонов // Метеорология и гидрология. 2000. №10. С.53-58.

40. Krivoluzky, A., Bazilevskaya G., Vyushkova Т., Knyazeva G. Influnce of cosmic rays on chemical composition of the atmosphere: data analysis and photochemical modelling. //Physics and chemistry of the Earth. 2002, v.27, pp. 471-476.

41. Кондратьев К.Я. Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со спутников. -Д.: Гидрометеоиздат, 1980.

42. Waters J. //Proc. of IEEE, 1992, v.80, p. 1679.

43. Kulikov Y.Y., Ryskin V.G. et.al. Radiophysics and Quantum Electronics. 1998, v.41, p. 953.

44. Воронов B.H., Кисляков А.Г., Кукина Э.П., Наумов А.И. О содержании СО и N2O в земной атмосфере по наблюдениям их линий вращательного• спектра. //Изв. АН СССР, сер «Физика атмосферы» и океана. 1972, т.8, №1,с.29-36.

45. Caton W.H., Manella G.C., Kalagan Р.Н., Ewen H.I. // Astrophysics. J., 1986, v. 151, No. 3. p.2.

46. Shimabutukuri F.I., Wilson W.J. Observation of atmospheric ozone at 110.836 GHz //J. Geophys. Res., 1973, v. 78, p. 6136.

47. Куликов Ю.Ю., Ризов Е.Ф., Федосеев Л.И. и др. Измерение оптической толщи атмосферы Земли в линиях СО и Оз (Х= 1,3-1,4 мм). // Изв. АН СССР,сер «Физика атмосферы и океана». 1975, т.11, с.1071.

48. Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Федосеев Л.И. и др. В кн. «Радиофизические исследования атмосферы» Л: Гидрометеоиздат, 1977.

49. Буров А.Б., Красильников А.А., Куликов Ю.Ю. и др. Наземные измерения вращательного перехода озона 2о,2-2и //II Всероссийский симпозиум по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Харьков, 1978, т.2, с.163.

50. Буров А.Б., Воронов В.Н., Красильников А.А. и др. Изв. АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана», 1972.

51. Воронов В.Н., Демкин В.М., Куликов Ю.Ю. и др. Анализатор спектра миллиметрового диапазона волн и результаты исследования озона верхней атмосферы //Изв. ВУЗов. «Радиофизика», 1986, т.29,№12, с. 1403-1413.

52. Демкин В.М., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. и др. Наблюдения атмосферного озона на миллиметровых волнах. // Труды VI Всесоюзного симпозиума по атмосферному озону. JI: Гидрометеоиздат, 1987, с. 56-59.

53. Борисов О.Н., Демкин В.М., Куликов Ю.Ю. и др. Вариации стратосферного озона в полярных штротах. //Изв.АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана», 1989, т .25, № 10, с. 1033-1039.

54. Борисов О.Н., Кузнецов И.В., Кукин JI.M. и др. Вариации стратосферного озона в полярных широтах. //Атмосферный озон. Труды Всесоюзной конференции по атмосферному озону. Суздаль, октябрь 1988. -М.: Гидрометеоиздат, 1990, с.64-66.

55. Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. Суточные вариации излучения стратосферного и мезосферного озона на миллиметровых волнах. //Атмосферный озон. Труды Всесоюзной конференции по атмосферному озону. Суздаль, октябрь 1988. -М.: Гидрометеоиздат, 1990, с.61-64.

56. Борисов О.Н., Ерухимова Т.Д., Куликов Ю.Ю. и др. Микроволновые наблюдения стратосферного озона в Арктике. //Препринт №306. ИПФ РАН, Н.Новгород.

57. Kulikov Y.Y., Kuznetsov I.V., Andrianov A.F. et. al. Stratospheric ozone variability in high latitude from microwave oservation. //J. Geophes. Res., 1994, v.99, no.lOD, p. 109-116.

58. Куликов Ю.Ю., Лубяко JI.B., Моченова O.C. и др. Исследования стратосферного озона Арктики с помощью наземного микроволнового спектроанализатора //Сб. Исследования атмосферного озона (0зон-90). -М: Гидрометеоиздат. 1992, с. 172

59. Андриянов А.Ф., Дрягин С.Ю., Кузнецов И.В. и др. Предварительные результаты наблюдений озона на мм волнах в Антарктиде. //Препринт № 295. ИПФ РАН, Н. Новгород, 1991.

60. Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Мазур А.Б. и др. Обнаружение «озоновых облаков» в верхней атмосфере Земли методом миллиметровой радиометрии. //Геомагнетизм и Аэрономия, 1997, т.37, № 3.

61. Соломонов С.В. О вариациях стратосферного озона на миллиметровых волнах. Изв. АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана». 1993, т.29, № 8, с. 525-531.

62. Логвиненко С.В., Соломонов С.В., Розанов С.Б и др. Автоматизированные наземные измерения спектров радиоизлучения атмосферного озона. Краткие сообщения по физике. 1997, № 5-6.

63. Гайкович К.П., Кропоткина Е.П., Соломонов С.В. Определение вертикального профиля атмосферного озона по наземным измерениям излучения в миллиметровом диапазоне. Изв. АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана». 1999, т.35, №1, с.86-95.

64. Есепкина Н.А., Кропоткина Е.П., Круглов С.К. и др. Радиометрический анализатор спектра для исследований атмосферного озона на частоте 142 ГГц. //Успехи совр. радиоэлектроники. 2003. No 1, с.52-58.

65. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Вакс B.JI. Наблюдения оптически тонких теллурических линий озона в Зх-миллиметровом диапазоне длин волн // Радиотехника и Электроника. 1998, т. 43, № 6, с. 668-673.

66. Савельев Д.В. Исследование атмосферного озона и закиси азота методом дистанционного зондирования в 3-х мм диапазоне. Канд. диссертация. ННГУ, 2000 г.

67. Шкелев Е.И., Кисляков А.Г., Савельев Д.В. Спектрорадиометр 3-миллиметрового диапазона длин волн с последовательно-параллельным анализом. Приборы и техника эксперимента. 1995, № 6, с. 132-136.

68. Шкелев Е.И., Савельев Д.В., Кисляков А.Г. "Система управления спектрорадиометром Зх-миллиметрового диапазона длин волн". // Приборы и техника эксперимента. 2000, т. 43, № 4.

69. Тимофеев Ю.М. Об обратных задачах атмосферной оптики.// Изв. АН СССР, сер. «Физика атмосферы и океана», 1998, т.35, №1, с.86-95.

70. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. -М.: Мир, 1965.

71. Cannor B.J., et. al.,Remsberg Е.Е. Ground based microwave observations of ozone in the upper stratosphere and mesosphere. //J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 16757-16770.

72. Шкелев Е.И., Шулешов A.O., Ястребов И.П. Блок цифрового анализа для радиоспектрометра Зх-миллиметрового диапазона длин волн. // ПТЭ. 2002, № 4, с.92.

73. Кисляков А.Г., Шкелев Е.И., Ястребов И.П., Савельев Д.В. Атмосферный озон: одновременные наблюдения линий J=2U -> 2о,2 и 4i>I-> 40,4 • Тр. XX всероссийской конференции по распространению радиоволн. Н.Новгород, 2-4 июля 2002 г., с 354-355.

74. Кисляков А.Г., Шкелев Е.И. // I укр. симпозиум «Физика и техника мм и субмм радиоволн». Тезисы докл. Ч.И. Харьков. 1991, с. 13.

75. Савельев Д.В., Кисляков А.Г. // Научная конф. По радиофизике. Материалы конф., Н.Новгород, 1993. Изд-во ННГУ. С.65.

76. Вакс В.Л., Вдовин В.Ф., Кисляков А.Г., Лапкин И.В., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. Обнаружение теллурической линии N2O J=3—>4. // Изв. ВУЗов, сер. "Радиофизика". 1997. Т.40. С.1365-1369.

77. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М: Мир, 1985, -544с

78. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа систем. -М.: Мир, 1989, -376с.

79. Савельев Д.В. Ястребов И.П. Атмосферный озон и нейтронная солнечная активность в период 1996-2000 гг. // Труды 6-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2002 г. Ред. А.В. Якимов. Н. Новгород. С.160.

80. Кисляков А.Г., Ястребов И.П., Савельев Д.В., и др., О корреляции вариаций числа нейтронов и интенсивностей линий озона в атмосфере. //Изв. Высш. уч. зав. Радиофизика, 2003, Т.46, № 11, с. 952.

81. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Ястребов И.П. Сопоставление данных о нейтронных потоках с поведением линий атмосферного озона. // VIII нижегородская сессия молодых ученых, Н.Новгород, Нижегородский научно-информационный центр, 2003, с. 114.

82. Кисляков А.Г., Макаров А.Н., Шкелев Е.И., Ястребов И.П. Атмосферные нейтроны и линии озона. Наблюдения 1996-2002 гг. // Труды 7-ой научной конференции по радиофизике 7 мая 2003 г. Ред. А.В. Якимов. Н. Новгород. 2003, с. 156.

83. Keating G.M., Chiou L.S., Hsu N.C. // Adv. Space Res. 1996. V.18(9/10). P. 11-58.

84. Соломонов C.B. Радиофизические исследования озоносферы. //Успехи совр. радиоэлектроники. 2003. No 1, С.9-25.

85. Y.Y. Kulikov, I.P. Yastrebov. «The Influence of Cosmic Rays on Ozone above 20 km by microwaves observation». //"Physics of Auroral Phenomena", Proc. XXVII Annual Seminar, Apatity, Kola Science Center, Russian Academy of Science, 2004, pp. 121-124.

86. Кисляков А.Г., И.П.Ястребов И.П., Куликов Ю.Ю. О влиянии космических лучей на озоновый слой Земли по данным микроволновых наблюдений. //IX нижегородская сессия молодых ученых, Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В., 2004, с. 146.

87. Базилевская Г.А., Крайнев М.Б., Махмутов B.C. Солнечные протонные события по наблюдениям в стратосферном эксперименте ФИАН.//Геомагнетизм и Аэрономия, 2003, т.43, № 4, с. 442-452.

88. М.И.Пудовкин. Влияние солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду.//Соровский образовательный журнал, №10, 1996,с. 106.

89. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. -Л: Гидрометеоиздат, 1973.

90. Кисляков А.Г., Ястребов И.П. Наблюдение вариаций озона радиометрическим методом в период солнечного затмения 31 мая 2003 г. // Труды восьмой научной конференции по радиофизике. 7 мая 2004 г./Ред. А.В. Якимов. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2004, с. 112.

91. Кисляков А.Г. Разин.В.А. Цейтлин Н.М. Введение в радиоастрономию. Ч. 2. Учебник для Вузов. Изд. ННГУ (Н.Новгород) и Физматлит (М.), 1995.

92. Цифровые радиоприемные системы: Справочник/М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсянников и др./ Под ред. М.И. Жодзишского—М.: Радио и связь. 1990.—208 с.

93. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование. М: Радио и связь, 1983.

94. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. // Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1990? 256 с.

95. Шкелев Е.И., Ястребов И.П. Применение цифровой спектральной фильтрации в наблюдениях линий атмосферного озона. //Седьмаянижегородская сессия молодых ученых. Н.Новгород. Нижегородский гуманитарный центр, 2002, с. 68.

96. Вдовин В.Ф., Лапкин. И.В., Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. Криоэлектронный модуль стенда для атмосферных исследований. //В кн.: Тр. 3-й научн. конф. по радиофизике. 7 мая 1999 г. /Ред. А.В.Якимов. -Н.Новгород: ННГУ, 1999, с. 154.