Исследование условий формирования и развития серебристых облаков
|
Введение 3
Глава 1. Природа и общие сведения о серебристых облаках 12
§1.1. Физические процессы в мезосфере 12
§1.2. Физические параметры С.0 18
§1.3. Микроструктура С.0 23
§1.4. Гипотезы происхождения С.0 26
Глава 2. Методика изучения С.0 29
§2.1. Визуальный метод 29
§2.2. Ракетный метод 30
§2.3. Радиозондирование атмосферы и спутниковая съемка 30
§2.4. Эмпирические модели атмосферы 32
Глава 3. Анализ процессов формирования и разрушения элементов микроструктуры С.О. Практическая проверка гипотезы
§3.1. Процесс ионизации верхней атмосферы 34
§3.2. Конденсация вод.пара в мезосфере 41
§3.3. Расчеты высотных профилей температуры 42
§3.4. Сопоставление данных 60
Заключение 61
Список источников 65
Глава 1. Природа и общие сведения о серебристых облаках 12
§1.1. Физические процессы в мезосфере 12
§1.2. Физические параметры С.0 18
§1.3. Микроструктура С.0 23
§1.4. Гипотезы происхождения С.0 26
Глава 2. Методика изучения С.0 29
§2.1. Визуальный метод 29
§2.2. Ракетный метод 30
§2.3. Радиозондирование атмосферы и спутниковая съемка 30
§2.4. Эмпирические модели атмосферы 32
Глава 3. Анализ процессов формирования и разрушения элементов микроструктуры С.О. Практическая проверка гипотезы
§3.1. Процесс ионизации верхней атмосферы 34
§3.2. Конденсация вод.пара в мезосфере 41
§3.3. Расчеты высотных профилей температуры 42
§3.4. Сопоставление данных 60
Заключение 61
Список источников 65
Выпускная квалификационная работа содержит 68 страниц, 20 рисунков, 6 таблиц, 50 использованных источников.
Ключевые слова: мезопауза, процессы в мезосфере, серебристые облака, обводнение заряженных ядер конденсации, газо-пылевые частицы, ледяные частицы, ионизация, солнечная активность, индекс F10.7, температурные графики.
Актуальность изучения темы серебристых облаков (далее - С.О.), представленной в данной работе, состоит в необходимости понимания атмосферных процессов, происходящих на высотах мезосферы и мезопаузы, важности изучения взаимосвязи процессов ионизации в верхней атмосфере с наблюдаемыми изменениями погодных условий в более низких слоях атмосферы и в барическом поле тропосферы, а также во взаимовлиянии этих процессов в атмосфере Земли и важности их дальнейшего изучения.
Новизна представленного метода состоит в изучении корреляции мощности солнечных вспышек и увеличения поля С.О. в связи с увеличением количества заряженных частиц ядер конденсации, а также в применении формулы Томсона для расчета зависимости упругости насыщения от кривизны и электрических зарядов капель.
Объектом исследования является тенденция роста и уменьшения поля С.О. в зависимости от влияния солнечных вспышек, выявление дат их совпадения и проверка в эти даты изменения барического поля тропосферы.
Предметом исследования являются спутниковые снимки поля С.О., полученные аппаратами NASA (AIM), спектрометра MAARSY, графики изменений уровней индексов солнечной активности по данным сайта космической погоды Meteoweb.ru, карты барической топографии на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 по данным метеорологической программы Е.В. Дорофеева «Синоптик-прогнозист».
Цель работы - выяснить наличие или отсутствие корреляции мощности солнечных вспышек и увеличения поля С.О., а также наличие или отсутствие изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ- 300, АТ-500 ввиду увеличения солнечной активности и разрастания поля С.О. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести обзор теории и практики изучения области мезосферы и мезопаузы и особенностей появления и развития С.О. на основе российских и зарубежных источников.
2. Провести сравнительный анализ зависимости солнечных вспышек и увеличения поля С.О. по данным спутниковых снимков NASA (AIM), а также наличия или отсутствия изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 по датам, соответствующим появлению крупных солнечных вспышек и последующему скачкообразному разрастанию поля С.О.
3. Провести для мезосферы расчет зависимости упругости давления насыщения от кривизны и электрических зарядов капель.
3. Провести графическую обработку и анализ экспериментальных данных температуры разных высот мезосферы и мезопаузы, полученных при работе с эмпирической моделью атмосферы NRLMSISE-00 для выявления тенденции температурных изменений и высотного диапазона образования С.О.
Методы исследования. В работе использовались данные температуры разных высот мезосферы и мезопаузы, полученные с помощью эмпирической модели атмосферы NRLMSISE-00 для выявления высотного диапазона образования С.О., методы поиска и сравнения данных спутниковых снимков поля С.О. за летний период 2021 г. по широте города Апатиты Мурманской области, данных карт барической топографии метеорологической программы Е.В. Дорофеева «Синоптик-прогнозист» и последующий анализ изменений поля С.О. и барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ- 500.
Описание модели NRLMSISE-00 [26] - это эмпирическая глобальная эталонная модель атмосферы Земли, учитывающая полное расстояние от земли до космоса, которая моделирует и вычисляет температуру и плотность компонентов атмосферы: параметры нейтральной температуры, температуру в экзосфере, плотности He, O, N2, O2, Ar, H, N и общую массовую плотность. Модель основана на данных наземных радаров, спутниковой и ракетной съемки [42]. Основное использование этой модели состоит в том, чтобы рассчитывать изменения орбиты спутника из-за ее отклонения вследствие влияния атмосферы Земли. Модель подразумевает использование данных геомагнитной и солнечной активности. Индексы являются количественной мерой геомагнитной активности и предназначены для описания вариаций магнитного поля Земли, вызванных воздействием потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, изменениями внутри магнитосферы и взаимодействием магнитосферы и ионосферы. Каждый из индексов вычисляется по результатам измерений и характеризует только часть сложной картины солнечной и геомагнитной активности. В работе были использованы данные Кр-индекса, Ар-индекса, а также индекса F10.7.
Описание программы «Синоптик-прогнозист» [46] - программа предназначена для подготовки, контроля и управления текущей, прогнозной и экстренной информацией о гидрометеорологической обстановке над территорией Российской Федерации. При этом программа обладает широким спектром вариантов визуализации оперативной синоптической информации в виде карт приземной погоды в кодах FM 12-XII SYNOP, BUFR-SYNOP, FM 13-XII SHIP, FM 15-XIII METAR, 16-XIII SPECI, данных штормовых сообщений о неблагоприятных и опасных явлениях погоды в коде WAREP, данных температурно-ветрового аэрологического зондирования атмосферы в коде КН-04 (FM 35-XI TEMP), данных метеорологических радиолокаторов в коде BUFR, а также данных прогностических центров в кодах GRID, GRIB (FM 47-IX GRID). Информация предоставлена отделом ОРМИ ФГБУ ГГО им. А.И. Воейкова.
Степень внедрения. В результате проведенного исследования продемонстрирована возможность изучения скачкообразного увеличения поля С.О. под влиянием солнечных вспышек, а также проведена попытка обнаружения связи этих изменений с изменениями барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500.
Область применения: исследования процессов в средней и верхней атмосфере.
Практическая значимость работы. Результаты проведенного исследования могут быть полезны для дальнейшего изучения влияния солнечной активности на процесс ионизации верхних слоев атмосферы Земли, ионизации и электризации частиц, выступающих в качестве ядер конденсации в области мезосферы и мезопаузы, связь солнечной активности с тенденцией скачкообразного увеличения поля С.О., а также для изучения степеней корреляции вышеописанного процесса и изменениями барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500.
В первой главе данной работы рассматриваются общие сведения о физической и химической природе серебристых облаков, а также основные существующие гипотезы их возникновения.
Во второй главе данной работы представлен краткий обзор методов изучения С.О., применимых к целям и задачам данной работы.
В третьей главе проводится анализ процессов формирования и разрушения физико-химических элементов микроструктуры С.О., приводятся расчеты высотных профилей температуры мезосферы и мезопаузы за летний период 2021 г. по датам солнечных вспышек, соответствующим скачкообразному увеличению поля и плотности С.О. по данным эмпирической глобальной эталонной модели атмосферы Земли NRLMSISE- 00 [26], практическая проверка гипотезы о взаимном влиянии изменений поля С.О. и барической тропосферной топографии - сопоставление данных (2021 г.)
В четвертой главе содержатся общие выводы по проведенному исследованию.
Необходимо дать определения основным понятиям, применяемым в магистерской работе.
С.О. - серебристые облака
B. А. - верхняя атмосфера
C. А. - солнечная активность
АГВ - атмосферные гравитационные волны
ОЦА - общая циркуляция атмосферы
Индекс F10.7 - единица измерения потока солнечного излучения на длине волны 10.7 нм.
Ар-индекс - индекс, характеризующий среднесуточную планетарную амплитуду возмущения геомагнитного поля Земли, и включающий в себя 8 значений наиболее возмущенных элементов магнитного поля за день. Индекс из группы планетарных индексов, характеризующих геомагнитную активность на планете Земля.
Кр-индекс - среднее значение уровней возмущения геомагнитной обстановки, наблюдаемых на 13 мировых станциях, расположенных между 48° и 63° северной и южной геомагнитных широт. Индекс из группы планетарных индексов, характеризующих геомагнитную активность на планете Земля.
Постоянная Планка - суммарная мощность солнечного излучения, равная 1367 Вт/м2
Оптическая плотность облака - это степень ослабления в облаке видимого света [48].
Кюри - единица активности радиоактивного изотопа: количество радиоактивного вещества, дающего 3.7х1010 актов распада/с [48].
Легкие ионы - ионы, состоящие из поляризованных атомов [4].
Тяжелые ионы - ионы, присоединившие мельчайшие ядра конденсации и передавшие им свой заряд [4].
Синглетный кислород — общее название для двух возбужденных состояний молекулярного кислорода с более высокой энергией, чем в основном состоянии.
Мировой центр данных по Солнечно-Земной физике - Геофизический центр Российской Академии Наук.
МСВА - нелинейная модель средней и верхней атмосферы.
NRLMSIS-00 - эмпирическая модель атмосферы Земли. Для применения в работе модели NRLMSIS-00 значение индекса солнечной активности F10.7 округляется до целых значений [26].
PMC - polar шезозрйепс clouds
NLC - noctilument clouds
LIDAR - Light Identification, Detection and Ranging
GOES - комплекс программ для развертывания и эксплуатации спутников.
NOAA - научная организация в содружестве с НАТО, проводит комплексные исследования Земли из космоса.
AIM - американский космический аппарат The Aeronomy of Ice in the Mesosphere.
SCIAMACHY - спутниковый спектрометр Scanning Imaging Absorbtion spectroMeter for Atmospheric CHartographY.
VarSITI - американский аппарат Variability of the Sun and its terrestrial impact.
UARS - Upper Atmosphere Research Satellite, спутник для исследования атмосферы Земли
NDMC - Network for the Detection of Mesopause Change, программа изучения атмосферы с 2007 г.
SCOSTEP - The Scientific Committee on Solar-Terrestrial Physics.
CAWSES-II - Climate And Weather of the Sun-Earth System, программа по изучению погоды и климата с 2009-2013 гг. Была организована и проведена под руководством Scientific Committee on Solar-Terrestrial Physics.
Изучением условий образования, морфологической структуры и химического состава мезосферных облаков занимались и продолжают заниматься ученые разных стран мира начиная с 1883 г. - официального года их появления, когда, после извержения вулкана Кракатау они наблюдались по всему северному полушарию в области умеренных и приполярных широт.
Явление стали изучать европейские астрономы Отто Йессе, Томас Уильям
Бэкхаус и Вацлав Ласка. В России наибольший вклад в изучение данного явления внес Витольд Карлович Церасский, который с достаточной точностью визуально установил высоту облаков (около 75 верст) и их малую оптическую плотность.
Отто Йессе также проводил подобные измерения, однако, с несколько меньшей точностью, но именно он предложил закрепившееся научное название мезосферных облаков — «серебристые облака» (далее С.О.). В современных англоязычных источниках действует название noctilument clouds (NLC) или polar тезозрйепс clouds (PMC, NASA) [20].
В середине XX столетия исследования С.О. проводил крупный советский ученый В.А. Бронштейн. Он впервые подробно изучил и описал вероятные условия появления и волновую структуру С.О. Благодаря проведению им многолетних исследований было выявлено, что под С.О. в приземном слое атмосферы наблюдался интенсивный рост давления. Было зафиксировано периодическое появление С.О. над тыловой частью антициклона, в результате чего отмечалась «временная пульсация областей высокого давления в сторону местности, над которой образовывались облака» [1, с. 60].
В.А. Бронштейном была выявлена и зафиксирована определенная закономерность - чем выше была динамическая активность пограничного слоя атмосферы, тем разнообразнее была форма серебристых облаков, увеличивалась яркость и площадь их распространения [1]. Он считал целесообразным рассматривать некую зависимость появления и изменения структуры поля С.О. от волновых проявлений, возникающих вследствие изменения и роста мощности тропосферных барических образований.
Следует заметить, что данные выводы были сделаны в середине XX столетия, при наличии аппаратуры и методами исследований, отвечающих тому времени. Сегодня научные методы позволяют проверить выводы В.А. Бронштейна с большей точностью с помощью современных наземных и спутниковых средств наблюдения [20], что является одной из задач данной работы.
Вопросы условий формирования и микрофизической структуры С.О. ставились в науке неоднократно. В середине XX века регулярно проходили международные научные мероприятия, направленные на обмен опытом и изучение метеорологических особенностей различных явлений нижней и верхней атмосферы. Так, с 1957 г по 1967 г. по программе Международного геофизического года, проходили регулярные наблюдения С.О. [1]. На протяжении 2,5 месяцев летнего времени 1965 года советским ученым М.И. Буровым в 332 точках был проведен ряд наблюдений диапазона высот возникновения С.О. Согласно полученным данным, диапазон высот располагался от 60 до 118 км. При этом уже было известно, что слой С.О. состоит из нескольких облачных слоев, располагается на разных высотах мезосферы и мезопаузы и имеет большую вертикальную протяженность [1], что было подтверждено исследованиями начала XXI века [3], [6-8]. Также на протяжении XX века были высказаны и частично проверены гипотезы появления ядер конденсации на высотах верхней мезосферы и мезопаузы , и образования облачных ледяных капель [20].
Современные исследования, благодаря ряду научных программ спутниковых наблюдений, проводимых в 2002-2007 годах американским аппаратом AIM, спутниковым спектрометром SCIAMACHY [22] и рядом других аппаратов установили, что в летний период мезосферные облака находятся на границе мезосферы и мезопаузы на высотах 80-110 км в области приполярных широт постоянно. Облачные частицы образуются на данных высотах примерно в течение 3-4 месяцев - с мая по сентябрь.
Было выявлено, что голубовато-белая пелена волнистых мезосферных облаков, наблюдаемых с земной поверхности - это лишь видимая часть огромного слоя с весьма низкой оптической плотностью, согласно рабочей гипотезе, состоящего из мельчайших облачно-ледяных частиц и расположенного на разных высотных уровнях внутри слоя мезосферы. Пик их появления приходится на середину летнего времени - на конец июня- начало июля, примерно за 3-4 недели до наступления периода летнего солнцестояния (19-25 июня). При этом частота их появления будет нарастать примерно в районе 15-20 дней перед и после наступления летнего солнцестояния (21-22 июня) [20].
Долгое время, на протяжении конца XIX-начала XXI веков изучалась вероятность влияния солнечной активности (СА) на частоту появления С.О. До проведения работ в 1967 г. советского ученого Васильева, эта связь считалась не подтвержденной. Васильев получил данные о количестве ночей и пике появления С.О. в Европейской части СССР, соответствующих 11¬летнему солнечному циклу, что позволило в дальнейшем проводить более точные исследования в этой области. В исследованиях Васильев опирался на данные «числа Вольфа», сегодня эти показатели заменяют индексы солнечной активности Ар, Кр и F10.7.
Сегодня показатели индексов солнечной активности, как и спектральные спутниковые снимки поля С.О., в основном, находятся в открытом доступе, и могут быть использованы в научной работе. В рамках данной работы планируется проверка гипотезы о наличии статистической зависимости интенсивности роста поля С.О. с интенсивностью солнечного излучения.
В настоящее время исследования областей верхней и средней атмосферы и мезосферных процессов продолжаются и имеют большое практическое значение. С начала 2000-х годов XXI века было создано и проведено несколько крупных исследовательских программ - NDMC и CAWSES-II, недавно была начата новая международная программа VarSITI [38].
Ключевые слова: мезопауза, процессы в мезосфере, серебристые облака, обводнение заряженных ядер конденсации, газо-пылевые частицы, ледяные частицы, ионизация, солнечная активность, индекс F10.7, температурные графики.
Актуальность изучения темы серебристых облаков (далее - С.О.), представленной в данной работе, состоит в необходимости понимания атмосферных процессов, происходящих на высотах мезосферы и мезопаузы, важности изучения взаимосвязи процессов ионизации в верхней атмосфере с наблюдаемыми изменениями погодных условий в более низких слоях атмосферы и в барическом поле тропосферы, а также во взаимовлиянии этих процессов в атмосфере Земли и важности их дальнейшего изучения.
Новизна представленного метода состоит в изучении корреляции мощности солнечных вспышек и увеличения поля С.О. в связи с увеличением количества заряженных частиц ядер конденсации, а также в применении формулы Томсона для расчета зависимости упругости насыщения от кривизны и электрических зарядов капель.
Объектом исследования является тенденция роста и уменьшения поля С.О. в зависимости от влияния солнечных вспышек, выявление дат их совпадения и проверка в эти даты изменения барического поля тропосферы.
Предметом исследования являются спутниковые снимки поля С.О., полученные аппаратами NASA (AIM), спектрометра MAARSY, графики изменений уровней индексов солнечной активности по данным сайта космической погоды Meteoweb.ru, карты барической топографии на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 по данным метеорологической программы Е.В. Дорофеева «Синоптик-прогнозист».
Цель работы - выяснить наличие или отсутствие корреляции мощности солнечных вспышек и увеличения поля С.О., а также наличие или отсутствие изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ- 300, АТ-500 ввиду увеличения солнечной активности и разрастания поля С.О. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести обзор теории и практики изучения области мезосферы и мезопаузы и особенностей появления и развития С.О. на основе российских и зарубежных источников.
2. Провести сравнительный анализ зависимости солнечных вспышек и увеличения поля С.О. по данным спутниковых снимков NASA (AIM), а также наличия или отсутствия изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 по датам, соответствующим появлению крупных солнечных вспышек и последующему скачкообразному разрастанию поля С.О.
3. Провести для мезосферы расчет зависимости упругости давления насыщения от кривизны и электрических зарядов капель.
3. Провести графическую обработку и анализ экспериментальных данных температуры разных высот мезосферы и мезопаузы, полученных при работе с эмпирической моделью атмосферы NRLMSISE-00 для выявления тенденции температурных изменений и высотного диапазона образования С.О.
Методы исследования. В работе использовались данные температуры разных высот мезосферы и мезопаузы, полученные с помощью эмпирической модели атмосферы NRLMSISE-00 для выявления высотного диапазона образования С.О., методы поиска и сравнения данных спутниковых снимков поля С.О. за летний период 2021 г. по широте города Апатиты Мурманской области, данных карт барической топографии метеорологической программы Е.В. Дорофеева «Синоптик-прогнозист» и последующий анализ изменений поля С.О. и барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ- 500.
Описание модели NRLMSISE-00 [26] - это эмпирическая глобальная эталонная модель атмосферы Земли, учитывающая полное расстояние от земли до космоса, которая моделирует и вычисляет температуру и плотность компонентов атмосферы: параметры нейтральной температуры, температуру в экзосфере, плотности He, O, N2, O2, Ar, H, N и общую массовую плотность. Модель основана на данных наземных радаров, спутниковой и ракетной съемки [42]. Основное использование этой модели состоит в том, чтобы рассчитывать изменения орбиты спутника из-за ее отклонения вследствие влияния атмосферы Земли. Модель подразумевает использование данных геомагнитной и солнечной активности. Индексы являются количественной мерой геомагнитной активности и предназначены для описания вариаций магнитного поля Земли, вызванных воздействием потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, изменениями внутри магнитосферы и взаимодействием магнитосферы и ионосферы. Каждый из индексов вычисляется по результатам измерений и характеризует только часть сложной картины солнечной и геомагнитной активности. В работе были использованы данные Кр-индекса, Ар-индекса, а также индекса F10.7.
Описание программы «Синоптик-прогнозист» [46] - программа предназначена для подготовки, контроля и управления текущей, прогнозной и экстренной информацией о гидрометеорологической обстановке над территорией Российской Федерации. При этом программа обладает широким спектром вариантов визуализации оперативной синоптической информации в виде карт приземной погоды в кодах FM 12-XII SYNOP, BUFR-SYNOP, FM 13-XII SHIP, FM 15-XIII METAR, 16-XIII SPECI, данных штормовых сообщений о неблагоприятных и опасных явлениях погоды в коде WAREP, данных температурно-ветрового аэрологического зондирования атмосферы в коде КН-04 (FM 35-XI TEMP), данных метеорологических радиолокаторов в коде BUFR, а также данных прогностических центров в кодах GRID, GRIB (FM 47-IX GRID). Информация предоставлена отделом ОРМИ ФГБУ ГГО им. А.И. Воейкова.
Степень внедрения. В результате проведенного исследования продемонстрирована возможность изучения скачкообразного увеличения поля С.О. под влиянием солнечных вспышек, а также проведена попытка обнаружения связи этих изменений с изменениями барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500.
Область применения: исследования процессов в средней и верхней атмосфере.
Практическая значимость работы. Результаты проведенного исследования могут быть полезны для дальнейшего изучения влияния солнечной активности на процесс ионизации верхних слоев атмосферы Земли, ионизации и электризации частиц, выступающих в качестве ядер конденсации в области мезосферы и мезопаузы, связь солнечной активности с тенденцией скачкообразного увеличения поля С.О., а также для изучения степеней корреляции вышеописанного процесса и изменениями барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500.
В первой главе данной работы рассматриваются общие сведения о физической и химической природе серебристых облаков, а также основные существующие гипотезы их возникновения.
Во второй главе данной работы представлен краткий обзор методов изучения С.О., применимых к целям и задачам данной работы.
В третьей главе проводится анализ процессов формирования и разрушения физико-химических элементов микроструктуры С.О., приводятся расчеты высотных профилей температуры мезосферы и мезопаузы за летний период 2021 г. по датам солнечных вспышек, соответствующим скачкообразному увеличению поля и плотности С.О. по данным эмпирической глобальной эталонной модели атмосферы Земли NRLMSISE- 00 [26], практическая проверка гипотезы о взаимном влиянии изменений поля С.О. и барической тропосферной топографии - сопоставление данных (2021 г.)
В четвертой главе содержатся общие выводы по проведенному исследованию.
Необходимо дать определения основным понятиям, применяемым в магистерской работе.
С.О. - серебристые облака
B. А. - верхняя атмосфера
C. А. - солнечная активность
АГВ - атмосферные гравитационные волны
ОЦА - общая циркуляция атмосферы
Индекс F10.7 - единица измерения потока солнечного излучения на длине волны 10.7 нм.
Ар-индекс - индекс, характеризующий среднесуточную планетарную амплитуду возмущения геомагнитного поля Земли, и включающий в себя 8 значений наиболее возмущенных элементов магнитного поля за день. Индекс из группы планетарных индексов, характеризующих геомагнитную активность на планете Земля.
Кр-индекс - среднее значение уровней возмущения геомагнитной обстановки, наблюдаемых на 13 мировых станциях, расположенных между 48° и 63° северной и южной геомагнитных широт. Индекс из группы планетарных индексов, характеризующих геомагнитную активность на планете Земля.
Постоянная Планка - суммарная мощность солнечного излучения, равная 1367 Вт/м2
Оптическая плотность облака - это степень ослабления в облаке видимого света [48].
Кюри - единица активности радиоактивного изотопа: количество радиоактивного вещества, дающего 3.7х1010 актов распада/с [48].
Легкие ионы - ионы, состоящие из поляризованных атомов [4].
Тяжелые ионы - ионы, присоединившие мельчайшие ядра конденсации и передавшие им свой заряд [4].
Синглетный кислород — общее название для двух возбужденных состояний молекулярного кислорода с более высокой энергией, чем в основном состоянии.
Мировой центр данных по Солнечно-Земной физике - Геофизический центр Российской Академии Наук.
МСВА - нелинейная модель средней и верхней атмосферы.
NRLMSIS-00 - эмпирическая модель атмосферы Земли. Для применения в работе модели NRLMSIS-00 значение индекса солнечной активности F10.7 округляется до целых значений [26].
PMC - polar шезозрйепс clouds
NLC - noctilument clouds
LIDAR - Light Identification, Detection and Ranging
GOES - комплекс программ для развертывания и эксплуатации спутников.
NOAA - научная организация в содружестве с НАТО, проводит комплексные исследования Земли из космоса.
AIM - американский космический аппарат The Aeronomy of Ice in the Mesosphere.
SCIAMACHY - спутниковый спектрометр Scanning Imaging Absorbtion spectroMeter for Atmospheric CHartographY.
VarSITI - американский аппарат Variability of the Sun and its terrestrial impact.
UARS - Upper Atmosphere Research Satellite, спутник для исследования атмосферы Земли
NDMC - Network for the Detection of Mesopause Change, программа изучения атмосферы с 2007 г.
SCOSTEP - The Scientific Committee on Solar-Terrestrial Physics.
CAWSES-II - Climate And Weather of the Sun-Earth System, программа по изучению погоды и климата с 2009-2013 гг. Была организована и проведена под руководством Scientific Committee on Solar-Terrestrial Physics.
Изучением условий образования, морфологической структуры и химического состава мезосферных облаков занимались и продолжают заниматься ученые разных стран мира начиная с 1883 г. - официального года их появления, когда, после извержения вулкана Кракатау они наблюдались по всему северному полушарию в области умеренных и приполярных широт.
Явление стали изучать европейские астрономы Отто Йессе, Томас Уильям
Бэкхаус и Вацлав Ласка. В России наибольший вклад в изучение данного явления внес Витольд Карлович Церасский, который с достаточной точностью визуально установил высоту облаков (около 75 верст) и их малую оптическую плотность.
Отто Йессе также проводил подобные измерения, однако, с несколько меньшей точностью, но именно он предложил закрепившееся научное название мезосферных облаков — «серебристые облака» (далее С.О.). В современных англоязычных источниках действует название noctilument clouds (NLC) или polar тезозрйепс clouds (PMC, NASA) [20].
В середине XX столетия исследования С.О. проводил крупный советский ученый В.А. Бронштейн. Он впервые подробно изучил и описал вероятные условия появления и волновую структуру С.О. Благодаря проведению им многолетних исследований было выявлено, что под С.О. в приземном слое атмосферы наблюдался интенсивный рост давления. Было зафиксировано периодическое появление С.О. над тыловой частью антициклона, в результате чего отмечалась «временная пульсация областей высокого давления в сторону местности, над которой образовывались облака» [1, с. 60].
В.А. Бронштейном была выявлена и зафиксирована определенная закономерность - чем выше была динамическая активность пограничного слоя атмосферы, тем разнообразнее была форма серебристых облаков, увеличивалась яркость и площадь их распространения [1]. Он считал целесообразным рассматривать некую зависимость появления и изменения структуры поля С.О. от волновых проявлений, возникающих вследствие изменения и роста мощности тропосферных барических образований.
Следует заметить, что данные выводы были сделаны в середине XX столетия, при наличии аппаратуры и методами исследований, отвечающих тому времени. Сегодня научные методы позволяют проверить выводы В.А. Бронштейна с большей точностью с помощью современных наземных и спутниковых средств наблюдения [20], что является одной из задач данной работы.
Вопросы условий формирования и микрофизической структуры С.О. ставились в науке неоднократно. В середине XX века регулярно проходили международные научные мероприятия, направленные на обмен опытом и изучение метеорологических особенностей различных явлений нижней и верхней атмосферы. Так, с 1957 г по 1967 г. по программе Международного геофизического года, проходили регулярные наблюдения С.О. [1]. На протяжении 2,5 месяцев летнего времени 1965 года советским ученым М.И. Буровым в 332 точках был проведен ряд наблюдений диапазона высот возникновения С.О. Согласно полученным данным, диапазон высот располагался от 60 до 118 км. При этом уже было известно, что слой С.О. состоит из нескольких облачных слоев, располагается на разных высотах мезосферы и мезопаузы и имеет большую вертикальную протяженность [1], что было подтверждено исследованиями начала XXI века [3], [6-8]. Также на протяжении XX века были высказаны и частично проверены гипотезы появления ядер конденсации на высотах верхней мезосферы и мезопаузы , и образования облачных ледяных капель [20].
Современные исследования, благодаря ряду научных программ спутниковых наблюдений, проводимых в 2002-2007 годах американским аппаратом AIM, спутниковым спектрометром SCIAMACHY [22] и рядом других аппаратов установили, что в летний период мезосферные облака находятся на границе мезосферы и мезопаузы на высотах 80-110 км в области приполярных широт постоянно. Облачные частицы образуются на данных высотах примерно в течение 3-4 месяцев - с мая по сентябрь.
Было выявлено, что голубовато-белая пелена волнистых мезосферных облаков, наблюдаемых с земной поверхности - это лишь видимая часть огромного слоя с весьма низкой оптической плотностью, согласно рабочей гипотезе, состоящего из мельчайших облачно-ледяных частиц и расположенного на разных высотных уровнях внутри слоя мезосферы. Пик их появления приходится на середину летнего времени - на конец июня- начало июля, примерно за 3-4 недели до наступления периода летнего солнцестояния (19-25 июня). При этом частота их появления будет нарастать примерно в районе 15-20 дней перед и после наступления летнего солнцестояния (21-22 июня) [20].
Долгое время, на протяжении конца XIX-начала XXI веков изучалась вероятность влияния солнечной активности (СА) на частоту появления С.О. До проведения работ в 1967 г. советского ученого Васильева, эта связь считалась не подтвержденной. Васильев получил данные о количестве ночей и пике появления С.О. в Европейской части СССР, соответствующих 11¬летнему солнечному циклу, что позволило в дальнейшем проводить более точные исследования в этой области. В исследованиях Васильев опирался на данные «числа Вольфа», сегодня эти показатели заменяют индексы солнечной активности Ар, Кр и F10.7.
Сегодня показатели индексов солнечной активности, как и спектральные спутниковые снимки поля С.О., в основном, находятся в открытом доступе, и могут быть использованы в научной работе. В рамках данной работы планируется проверка гипотезы о наличии статистической зависимости интенсивности роста поля С.О. с интенсивностью солнечного излучения.
В настоящее время исследования областей верхней и средней атмосферы и мезосферных процессов продолжаются и имеют большое практическое значение. С начала 2000-х годов XXI века было создано и проведено несколько крупных исследовательских программ - NDMC и CAWSES-II, недавно была начата новая международная программа VarSITI [38].
Изучение термосферы, мезосферы, поля С.О. и процессов ионизации на больших высотах имеют огромное практическое значение для науки будущего. Выявление тенденций изменения микрофизических и метеорологических параметров позволяет нам увидеть более комплексную картину атмосферных процессов и их взаимосвязи с солнечной и космической погодой, как части единой глобальной космической системы. Эти знания позволяют нам по эмпирической тенденции определить предстоящие изменения атмосферы как единого физико-химического объекта, с большей уверенностью и минимальной заблаговременностью для создания эффективных прогнозов атмосферной погоды.
Сформулируем основные выводы нашего исследования. Целью данной научной работы было выяснить наличие или отсутствие корреляции солнечных вспышек и увеличения поля С.О. в связи с увеличением количества заряженных частиц ядер конденсации, а также наличие или отсутствие изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ- 300, АТ-500 ввиду увеличения солнечной активности и разрастания поля С.О. Для достижения цели были выполнены следующие задачи:
1. Был проведен обзор теории и практики изучения области мезосферы и мезопаузы и особенностей появления и развития С.О. на основе российских и зарубежных источников. В результате мы получили комплексное представление об основных физико-химических свойствах мезосферы, о процессах, влияющих на область в.а., мезосферы и мезопаузы, об известных на данный момент времени особенностях С.О., об особенностях, проблемах и перспективах их изучения.
2. Был проведен сравнительный анализ зависимости солнечных вспышек и увеличения поля С.О. по данным спутниковых снимков NASA (AIM), а также наличия или отсутствия изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 по датам, соответствующим появлению крупных солнечных вспышек и последующему скачкообразному разрастанию поля С.О.
3. Был проведен расчет зависимости упругости давления насыщения от кривизны и электрических зарядов капель.
4. Была проведена графическая обработка и анализ экспериментальных данных температуры разных высот мезосферы и мезопаузы, полученных при работе с эмпирической моделью атмосферы NRLMSISE-00 для выявления тенденции температурных изменений и высотного диапазона образования С.О.
Следует отметить, что работы, планируемые в рамках исследования, были выполнены, цели и задачи данного исследования достигнуты, получены следующие выводы.
Проанализированы процессы ионизации, ассоциации и диссоциации молекул и атомов газов в области верхней мезосферы и мезопаузы, что подтверждает наличие физического процесса электронного возбуждения атомов О на данных высотах. Эти процессы также способствуют заряжению ядер конденсации и образованию большого числа обводненных ледяных частиц С.О.
Если в тропосфере конденсация происходит на растворимых ядрах гигроскопичных соединений, на высотах мезосферы и мезопаузы, при практически в 10 раз более низком давлении, обводнение может происходить иначе - частицы ядер конденсации или тяжелые ионы (тяжелее молекулы) должны быть заряженными, и поэтому к ним присоединяется водяной пар.
Солнечная вспышка и, соответственно, приход солнечного излучения в земную атмосферу способствует стремительному росту числа заряженных ядер конденсации, что приводит к скачкообразному увеличению поля С.О. Согласно расчету, проведенному по формуле Томсона в §3.2 данной работы, размер ядер конденсации для частиц С.О. составил 0,4-10-7нм. При таких размерах размер частиц С.О. вполне может составлять от 0,1 до 1,5 мкм, что соответствует данным исследований [22].
В §3.3 проведены расчеты температурных показателей с помощью эмпирической модели атмосферы NRLMSISE-00 [26], построены температурные графики для определения высотного диапазона появления С.О. через сутки после солнечных вспышек в летний период 2021г. в соответствии со спутниковыми снимками поля С.О. по данным аппарата AIM [43]. Определено соответствие увеличения поля С.О. с датами солнечных вспышек примерно с суточным интервалом (~22ч) около 00.00 UTC, а также выявлена тенденция предполагаемого процесса накопления заряда на высотах мезосферы после солнечных вспышек, подкрепляемого постоянным притоком солнечного излучения в мезосферу в летний период. Этот вопрос необходимо будет проверить в дальнейшей научной работе с использованием анализа большего количества микроструктурных данных и данных солнечной активности, учитывая показатели протонных штормов и др.
В §3.4, согласно выводам В.А. Бронштейна [1], проведено визуальное сравнение поля С.О. и барического поля тропосферы по данным ИС «Синоптик-прогнозист» [46] на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 с целью обнаружения вероятных изменений поля С.О. в следствие углубления и роста барического поля тропосферы. От результатов визуального сопоставления и выявление существующей видимой тенденции зависит актуальность проведения дальнейшего исследования этой связи. В результате были получены выводы - существенных изменений морфологической структуры поля С.О. в соответствии с ростом или углублением барического поля тропосферы на выбранных высотах практически не обнаружено. Однако, поскольку соответствие было выявлено, следует изучить вопрос корреляции мезосферных и тропосферных барических изменений в будущем, учитывая физические особенности исследуемых воздушных сред с применением расчетов и соответствующих атмосферных моделей.
В будущем планируется использовать результаты данной работы для проведения более детального исследования влияния солнечной активности на верхнюю атмосферу Земли и на процессы, происходящие в средней и нижней атмосфере, в частности, в барическом поле тропосферы на разных высотах.
Интересным пунктом исследования верхней мезосферы и С.О. можно считать учет влияния звуковой коагуляции - воздействия ультразвуковых и инфразвуковых волн на мельчайшие частицы метеорной и космической пыли. Звуковые воздействия создают интенсивную вибрацию частиц, увеличивая число их столкновений, что способствует их сцеплению друг с другом и укрупнению (агломерации) [25]. Подобный эффект, предположительно, может существовать на исследуемых высотах вследствие проникновения в среду данных видов звуковых волн, и его также можно рассмотреть в качестве одного из возможных факторов, влияющих на укрупнение частиц космической и метеорной пыли, служащих ядрами конденсации, и частиц С.О., находящихся на разных стадиях обводнения.
Вполне возможно, что ионизация является причиной возникновения в атмосфере не только разнообразных химических реакций, протекающих достаточно стремительно на разных высотах верхней атмосферы Земли. Можно предположить, что ионизация верхней атмосферы служит также одной из причин появления атмосферных волн, создавая возмущения электро-магнитного поля Земли и передавая мощный электрический заряд его силовым линиям, что также необходимо проверить в рамках отдельного исследования.
Сформулируем основные выводы нашего исследования. Целью данной научной работы было выяснить наличие или отсутствие корреляции солнечных вспышек и увеличения поля С.О. в связи с увеличением количества заряженных частиц ядер конденсации, а также наличие или отсутствие изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ- 300, АТ-500 ввиду увеличения солнечной активности и разрастания поля С.О. Для достижения цели были выполнены следующие задачи:
1. Был проведен обзор теории и практики изучения области мезосферы и мезопаузы и особенностей появления и развития С.О. на основе российских и зарубежных источников. В результате мы получили комплексное представление об основных физико-химических свойствах мезосферы, о процессах, влияющих на область в.а., мезосферы и мезопаузы, об известных на данный момент времени особенностях С.О., об особенностях, проблемах и перспективах их изучения.
2. Был проведен сравнительный анализ зависимости солнечных вспышек и увеличения поля С.О. по данным спутниковых снимков NASA (AIM), а также наличия или отсутствия изменений барического поля тропосферы на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 по датам, соответствующим появлению крупных солнечных вспышек и последующему скачкообразному разрастанию поля С.О.
3. Был проведен расчет зависимости упругости давления насыщения от кривизны и электрических зарядов капель.
4. Была проведена графическая обработка и анализ экспериментальных данных температуры разных высот мезосферы и мезопаузы, полученных при работе с эмпирической моделью атмосферы NRLMSISE-00 для выявления тенденции температурных изменений и высотного диапазона образования С.О.
Следует отметить, что работы, планируемые в рамках исследования, были выполнены, цели и задачи данного исследования достигнуты, получены следующие выводы.
Проанализированы процессы ионизации, ассоциации и диссоциации молекул и атомов газов в области верхней мезосферы и мезопаузы, что подтверждает наличие физического процесса электронного возбуждения атомов О на данных высотах. Эти процессы также способствуют заряжению ядер конденсации и образованию большого числа обводненных ледяных частиц С.О.
Если в тропосфере конденсация происходит на растворимых ядрах гигроскопичных соединений, на высотах мезосферы и мезопаузы, при практически в 10 раз более низком давлении, обводнение может происходить иначе - частицы ядер конденсации или тяжелые ионы (тяжелее молекулы) должны быть заряженными, и поэтому к ним присоединяется водяной пар.
Солнечная вспышка и, соответственно, приход солнечного излучения в земную атмосферу способствует стремительному росту числа заряженных ядер конденсации, что приводит к скачкообразному увеличению поля С.О. Согласно расчету, проведенному по формуле Томсона в §3.2 данной работы, размер ядер конденсации для частиц С.О. составил 0,4-10-7нм. При таких размерах размер частиц С.О. вполне может составлять от 0,1 до 1,5 мкм, что соответствует данным исследований [22].
В §3.3 проведены расчеты температурных показателей с помощью эмпирической модели атмосферы NRLMSISE-00 [26], построены температурные графики для определения высотного диапазона появления С.О. через сутки после солнечных вспышек в летний период 2021г. в соответствии со спутниковыми снимками поля С.О. по данным аппарата AIM [43]. Определено соответствие увеличения поля С.О. с датами солнечных вспышек примерно с суточным интервалом (~22ч) около 00.00 UTC, а также выявлена тенденция предполагаемого процесса накопления заряда на высотах мезосферы после солнечных вспышек, подкрепляемого постоянным притоком солнечного излучения в мезосферу в летний период. Этот вопрос необходимо будет проверить в дальнейшей научной работе с использованием анализа большего количества микроструктурных данных и данных солнечной активности, учитывая показатели протонных штормов и др.
В §3.4, согласно выводам В.А. Бронштейна [1], проведено визуальное сравнение поля С.О. и барического поля тропосферы по данным ИС «Синоптик-прогнозист» [46] на высотах АТ-100, АТ-300, АТ-500 с целью обнаружения вероятных изменений поля С.О. в следствие углубления и роста барического поля тропосферы. От результатов визуального сопоставления и выявление существующей видимой тенденции зависит актуальность проведения дальнейшего исследования этой связи. В результате были получены выводы - существенных изменений морфологической структуры поля С.О. в соответствии с ростом или углублением барического поля тропосферы на выбранных высотах практически не обнаружено. Однако, поскольку соответствие было выявлено, следует изучить вопрос корреляции мезосферных и тропосферных барических изменений в будущем, учитывая физические особенности исследуемых воздушных сред с применением расчетов и соответствующих атмосферных моделей.
В будущем планируется использовать результаты данной работы для проведения более детального исследования влияния солнечной активности на верхнюю атмосферу Земли и на процессы, происходящие в средней и нижней атмосфере, в частности, в барическом поле тропосферы на разных высотах.
Интересным пунктом исследования верхней мезосферы и С.О. можно считать учет влияния звуковой коагуляции - воздействия ультразвуковых и инфразвуковых волн на мельчайшие частицы метеорной и космической пыли. Звуковые воздействия создают интенсивную вибрацию частиц, увеличивая число их столкновений, что способствует их сцеплению друг с другом и укрупнению (агломерации) [25]. Подобный эффект, предположительно, может существовать на исследуемых высотах вследствие проникновения в среду данных видов звуковых волн, и его также можно рассмотреть в качестве одного из возможных факторов, влияющих на укрупнение частиц космической и метеорной пыли, служащих ядрами конденсации, и частиц С.О., находящихся на разных стадиях обводнения.
Вполне возможно, что ионизация является причиной возникновения в атмосфере не только разнообразных химических реакций, протекающих достаточно стремительно на разных высотах верхней атмосферы Земли. Можно предположить, что ионизация верхней атмосферы служит также одной из причин появления атмосферных волн, создавая возмущения электро-магнитного поля Земли и передавая мощный электрический заряд его силовым линиям, что также необходимо проверить в рамках отдельного исследования.