Помощь студентам в учебе
ИЗМЕНЧИВОСТЬ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ВОЛН В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
|
Использованные сокращения и основные обозначения. 3
Аннотация. 4
Введение. 5
Глава 1. Современное состояние проблемы. 9
1.1 Внутренние гравитационные волны. 10
1.2 Планетарные волны. 13
Глава 2. Методика измерений. 15
2.1 Спектрофотометрическая аппаратура. 15
2.2 Измерения с помощью SATI (the Spectral Airglow Temperature Imager) 20
2.3 Глобальная сеть наблюдения мезосферных изменений 25
Глава 3. Результаты анализа экспериментальных данных 25
3.1 Использованные данные 25
3.2 Метод анализа данных 26
3.2 Изменчивость вращательной температуры ОН 29
3.3 Изменчивость интенсивности свечения ОН 36
3.3 Заключение 43
Используемая литература. 45
Аннотация. 4
Введение. 5
Глава 1. Современное состояние проблемы. 9
1.1 Внутренние гравитационные волны. 10
1.2 Планетарные волны. 13
Глава 2. Методика измерений. 15
2.1 Спектрофотометрическая аппаратура. 15
2.2 Измерения с помощью SATI (the Spectral Airglow Temperature Imager) 20
2.3 Глобальная сеть наблюдения мезосферных изменений 25
Глава 3. Результаты анализа экспериментальных данных 25
3.1 Использованные данные 25
3.2 Метод анализа данных 26
3.2 Изменчивость вращательной температуры ОН 29
3.3 Изменчивость интенсивности свечения ОН 36
3.3 Заключение 43
Используемая литература. 45
Важнейшим свойством атмосферных гидродинамических волн является то, что при распространении из нижних слоев в более высокие слои, они переносят энергию и импульс. Диссипируя на высотах средней атмосферы и термосферы, эти волны передают энергию и импульс среде, воздействуя, таким образом, на тепловой баланс и среднезональную циркуляцию. Турбулентность, тесно взаимодействуя с атмосферными волнами, рождает вертикальные тепловые и диффузионные потоки.
Изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы Земли и взаимодействия самих слоев и оболочек Земли, является одной из важнейших фундаментальных задач геофизики. Последние годы и десятилетия характеризуются мощным развитием аэрокосмических и наземных систем наблюдения за состоянием и динамикой атмосферы на различных высотах. Идет накопление новых данных измерений, требующих дальнейшего осмысления, обработки и интерпретации. На основе имеющегося материала измерений разрабатываются глобальные эмпирические и полуэмпирические модели атмосферных характеристик, учитывающие временную и пространственную изменчивость метеорологических полей.
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней и верхней атмосфере. Их источники находятся, в основном, в нижних слоях атмосферы. Распространяясь вверх, ВГВ способны переносить энергию и импульс в среднюю и верхнюю атмосферу, оказывая таким образом влияние на термодинамические процессы на всех высотах атмосферы. Измерение интенсивности и вращательной температуры свечений ночного неба является одним из способов мониторинга термодинамического режима и состава верхней атмосферы.
Распространяясь через слой ночной эмиссии верхней атмосферы, ВГВ модулируют температуру и интенсивность излучения [Шефов и др., 2006]. Когерентные волнообразные структуры были обнаружены в слоях излучения OH, Na, О и O2 в интервале высоты 80-100 км [Krassovski, 1972; Красовский и др., 1978; Гаврилов и Швед, 1982; Taylor et al., 1987]. В работе [Swenson, Mende, 1994] наблюдались квазимонохроматические ВГВ и процессы разрушения волн с последующим образованием вихревых структур в слое ночного свечения ОН. Исследования [Taylor, Hapgood, 1990; Vadasetal., 2009] в слое свечения ОН обнаружили волновые структуры с горизонтальными длинами волны 5 – l60 км. Исследование в Японии [Nakamuraetal., 1999] выявили типичные параметры ВГВ в слое свечения ОН: горизонтальные длины 5 - 60 км, периоды 5 - 30 мин., горизонтальные фазовые скорости 0-100 m/s.
В ряде работ исследовались долговременные изменения интенсивности ВГВ в верхней атмосфере. В исследовании [Gavrilovetal., 2002b] сделан статистический анализ средне- и крупномасштабных ВГВ с периодами 0.5 - 5ч и длинами волны 100-1700 кмв слоях излучения OH и О2 с 1998 по 2001 гг. Исследовалась междугодовая и сезонная изменчивость температуры области мезопаузы по данным спектральных наблюдений гидроксильного излучения в Звенигороде и Иркутске в 2000 – 2010 гг. [Перминов и др., 2014]. В работах [Медведева и др., 2011; Перцев и др., 2013] изучена изменчивость характеристик области мезопаузы во время внезапных стратосферных потеплений. Исследования последних лет выявляют наличие многолетних изменений характеристик верхней атмосферы [Lastovichka, 2017].
В исследовании [Гаврильева и др., 2009] анализировались изменения интенсивности и вращательной температуры ночной эмиссии ОН под действием атмосферных приливов. Сомсиков и др. [2015] исследовали средние характеристики ВГВ в слое свечения ОН в Алматы за 2010 – 2015 гг. Они определили, что основной вклад в мезомасштабные вариации слоя свечения ОН вносят ВГВ с горизонтальными длинами 100 – 900 км. Аналогичные значения горизонтальных длин ВГВ были получены ранее при анализе данных наблюдений эмиссий ОН и О2 с помощью SATI в Шигараки, Япония [Gavrilovetal., 2002b]. Исследование вариаций ночного свечения O2 прибором MORTI в Алматы дало даже большие горизонтальные длины ВГВ до нескольких тысяч километров [Aushevetal., 2000].
В работе [Gavrilovetal., 2001] были применены простые разностные фильтры и проанализированы сезонные и междугодовые изменения интенсивности ВГВ на высотах 80 – 100 км по наблюдениям дрейфов метеорных следов и ионосферных неоднородностей. Этот метод оказался эффективным для анализа многолетних изменений интенсивности ВГВ в верхней атмосфере [Gavrilovetal., 1995, 2002a].
Для выполнения данной квалификационной работы была сформулирована следующая задача: анализ изменчивости внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней атмосфере на основе оптических измерений.
В данной работе метод цифровых разностных фильтров применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры ночного свечения гидроксила на высотах 85 – 90 км в Алматы, Казахстан, в 2010 – 2017 гг. Исследуются сезонные и междугодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций с периодами 0.4 – 5 час, которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы.
Аналогичным методом были проанализированы спектрографические измерения эмиссии гидроксила на Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН(52° с.ш., 103° в.д.) в 2012 – 2017 гг и Звенигородской научной станции ИФА РАН (56° с.ш., 37° в.д.) в 2004 – 2017 гг.
Изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы Земли и взаимодействия самих слоев и оболочек Земли, является одной из важнейших фундаментальных задач геофизики. Последние годы и десятилетия характеризуются мощным развитием аэрокосмических и наземных систем наблюдения за состоянием и динамикой атмосферы на различных высотах. Идет накопление новых данных измерений, требующих дальнейшего осмысления, обработки и интерпретации. На основе имеющегося материала измерений разрабатываются глобальные эмпирические и полуэмпирические модели атмосферных характеристик, учитывающие временную и пространственную изменчивость метеорологических полей.
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней и верхней атмосфере. Их источники находятся, в основном, в нижних слоях атмосферы. Распространяясь вверх, ВГВ способны переносить энергию и импульс в среднюю и верхнюю атмосферу, оказывая таким образом влияние на термодинамические процессы на всех высотах атмосферы. Измерение интенсивности и вращательной температуры свечений ночного неба является одним из способов мониторинга термодинамического режима и состава верхней атмосферы.
Распространяясь через слой ночной эмиссии верхней атмосферы, ВГВ модулируют температуру и интенсивность излучения [Шефов и др., 2006]. Когерентные волнообразные структуры были обнаружены в слоях излучения OH, Na, О и O2 в интервале высоты 80-100 км [Krassovski, 1972; Красовский и др., 1978; Гаврилов и Швед, 1982; Taylor et al., 1987]. В работе [Swenson, Mende, 1994] наблюдались квазимонохроматические ВГВ и процессы разрушения волн с последующим образованием вихревых структур в слое ночного свечения ОН. Исследования [Taylor, Hapgood, 1990; Vadasetal., 2009] в слое свечения ОН обнаружили волновые структуры с горизонтальными длинами волны 5 – l60 км. Исследование в Японии [Nakamuraetal., 1999] выявили типичные параметры ВГВ в слое свечения ОН: горизонтальные длины 5 - 60 км, периоды 5 - 30 мин., горизонтальные фазовые скорости 0-100 m/s.
В ряде работ исследовались долговременные изменения интенсивности ВГВ в верхней атмосфере. В исследовании [Gavrilovetal., 2002b] сделан статистический анализ средне- и крупномасштабных ВГВ с периодами 0.5 - 5ч и длинами волны 100-1700 кмв слоях излучения OH и О2 с 1998 по 2001 гг. Исследовалась междугодовая и сезонная изменчивость температуры области мезопаузы по данным спектральных наблюдений гидроксильного излучения в Звенигороде и Иркутске в 2000 – 2010 гг. [Перминов и др., 2014]. В работах [Медведева и др., 2011; Перцев и др., 2013] изучена изменчивость характеристик области мезопаузы во время внезапных стратосферных потеплений. Исследования последних лет выявляют наличие многолетних изменений характеристик верхней атмосферы [Lastovichka, 2017].
В исследовании [Гаврильева и др., 2009] анализировались изменения интенсивности и вращательной температуры ночной эмиссии ОН под действием атмосферных приливов. Сомсиков и др. [2015] исследовали средние характеристики ВГВ в слое свечения ОН в Алматы за 2010 – 2015 гг. Они определили, что основной вклад в мезомасштабные вариации слоя свечения ОН вносят ВГВ с горизонтальными длинами 100 – 900 км. Аналогичные значения горизонтальных длин ВГВ были получены ранее при анализе данных наблюдений эмиссий ОН и О2 с помощью SATI в Шигараки, Япония [Gavrilovetal., 2002b]. Исследование вариаций ночного свечения O2 прибором MORTI в Алматы дало даже большие горизонтальные длины ВГВ до нескольких тысяч километров [Aushevetal., 2000].
В работе [Gavrilovetal., 2001] были применены простые разностные фильтры и проанализированы сезонные и междугодовые изменения интенсивности ВГВ на высотах 80 – 100 км по наблюдениям дрейфов метеорных следов и ионосферных неоднородностей. Этот метод оказался эффективным для анализа многолетних изменений интенсивности ВГВ в верхней атмосфере [Gavrilovetal., 1995, 2002a].
Для выполнения данной квалификационной работы была сформулирована следующая задача: анализ изменчивости внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней атмосфере на основе оптических измерений.
В данной работе метод цифровых разностных фильтров применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры ночного свечения гидроксила на высотах 85 – 90 км в Алматы, Казахстан, в 2010 – 2017 гг. Исследуются сезонные и междугодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций с периодами 0.4 – 5 час, которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы.
Аналогичным методом были проанализированы спектрографические измерения эмиссии гидроксила на Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН(52° с.ш., 103° в.д.) в 2012 – 2017 гг и Звенигородской научной станции ИФА РАН (56° с.ш., 37° в.д.) в 2004 – 2017 гг.
В результате настоящего исследования получены следующие основные результаты:
1.Метод цифровых разностных фильтров 3.1 применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры и интенсивности ночного свечения гидроксила на высотах 85 – 90 км прибором SATI в Алматы, Казахстан (43˚03’с.ш., 76˚58’в.д.) в 2010 – 2017 гг, спектральных наблюдений на Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (52° с.ш., 103° в.д.) в 2012 – 2017 гг и Звенигородской научной станцией (55°69’ с.ш., 36°77’ в.д.) в 2004 – 2016 гг.
2.Для выделения вариаций с часовыми периодами использована численная фильтрация путем вычисления разностей между последовательными значениями характеристик ночного свечения ОН, осредненных по различным временным интервалам.
3.Исследованы сезонные и междугодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций в области периодов 0.4 – 5.4 ч., которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы.
Публикации по теме работы:
1.Попов А. А., Гаврилов Н. М., Андреев А. Б., Погорельцев А. И. Междугодовые изменения интенсивности мезомасштабных вариаций ночного свечения гидроксила в Алматы, Солнечно-земная физика, 2018, т. 4, принята в печать.
2. Popov A. A., Gavrilov N. M., Andreev A. B., Pogoreltsev A. I. Seasonal and interannual variability of temperature and gravity wave intensity from hydroxyl emission observations in Almaty. Proc. Int. Conf. “Atmosphere, Ionosphere, Safety”, Kaliningrad, June 03-09, 2018, accepted.
3. Попов А. А.,ГавриловН. М., АндреевА. Б., ПогорельцевА. И. Многолетние изменения температуры нижней термосферы по наблюдениям ночного свечения гидроксила в Алма-Ате. Труды Междунар. симп. «Атмосферная радиация и динамика», 27 – 30 июня 2017 г., Санкт-Петербург, Изд. СПбГУ, 2017, с. 225.
1.Метод цифровых разностных фильтров 3.1 применен к анализу данных наблюдений вращательной температуры и интенсивности ночного свечения гидроксила на высотах 85 – 90 км прибором SATI в Алматы, Казахстан (43˚03’с.ш., 76˚58’в.д.) в 2010 – 2017 гг, спектральных наблюдений на Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (52° с.ш., 103° в.д.) в 2012 – 2017 гг и Звенигородской научной станцией (55°69’ с.ш., 36°77’ в.д.) в 2004 – 2016 гг.
2.Для выделения вариаций с часовыми периодами использована численная фильтрация путем вычисления разностей между последовательными значениями характеристик ночного свечения ОН, осредненных по различным временным интервалам.
3.Исследованы сезонные и междугодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций в области периодов 0.4 – 5.4 ч., которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы.
Публикации по теме работы:
1.Попов А. А., Гаврилов Н. М., Андреев А. Б., Погорельцев А. И. Междугодовые изменения интенсивности мезомасштабных вариаций ночного свечения гидроксила в Алматы, Солнечно-земная физика, 2018, т. 4, принята в печать.
2. Popov A. A., Gavrilov N. M., Andreev A. B., Pogoreltsev A. I. Seasonal and interannual variability of temperature and gravity wave intensity from hydroxyl emission observations in Almaty. Proc. Int. Conf. “Atmosphere, Ionosphere, Safety”, Kaliningrad, June 03-09, 2018, accepted.
3. Попов А. А.,ГавриловН. М., АндреевА. Б., ПогорельцевА. И. Многолетние изменения температуры нижней термосферы по наблюдениям ночного свечения гидроксила в Алма-Ате. Труды Междунар. симп. «Атмосферная радиация и динамика», 27 – 30 июня 2017 г., Санкт-Петербург, Изд. СПбГУ, 2017, с. 225.