Излучение верхней атмосферы Земли в средних широтах Азиатского континента и его региональные особенности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российская академия наук

Сибирское отделение

Институт солнечно-земной физики

На правах рукописи

УДК 550.388; 551.521

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Излучение верхней атмосферы Земли в средних широтах Азиатского континента и его региональные особенности

Специальность 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Михалев Александр Васильевич

Иркутск - 2008

Работа выполнена в Институте солнечно-земной физики Сибирского Отделения РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Семенов Анатолий Иванович,

доктор физико-математических наук, профессор Паперный Виктор Львович,

доктор технических наук, профессор Кудряшев Геннадий Сергеевич.

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера Сибирского Отделения РАН.

Защита диссертации состоится "10" февраля 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.003.034.01 Института солнечно-земной физики СО РАН (664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126 а, а/я 291).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН.

Автореферат разослан "___" 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время среди глобальных проблем, решаемых научным мировым сообществом, можно выделить проблемы изменения климата Земли, экологии и космической погоды. Для решения этих проблем осуществлялись и осуществляются национальные и международные проекты и программы, такие как WCRP (World Climate Research Programme), STEP (Solar-Terrestrial Energy Programme), MAP (Middle Atmosphere Programme) и многие другие. Атмосфера Земли является одним из важных объектов исследований этих проектов и программ.

Средняя и верхняя атмосфера Земли представляет собой слабоионизованную, многокомпонентную среду со сложной и изменчивой морфологией, которая контролируется множеством механизмов, включая прямой солнечный нагрев, фотохимические процессы, динамическое взаимодействие между отдельными слоями атмосферы и ее компонентами. Вариабильность основных характеристик средней и верхней атмосферы Земли, поведение атмосферы при гелиогеофизических воздействиях различной природы являются одной из ключевых проблем физики атмосферы, имеющей прямое отношение к глобальным проблемам изменения климата и космической погоды.

Предметом исследований настоящей диссертационной работы являются закономерности вариаций ночного излучения среднеширотной верхней атмосферы Земли, являющегося одним из фундаментальных свойств атмосферы. После открытия собственного свечения верхней атмосферы Земли и осознания его как явления планетарного масштаба возникла проблема исследования свойств этого явления и его связи с характеристиками самой атмосферы. При этом в разные периоды решались различные аспекты и задачи этой проблемы: определение спектрального состава и высоты высвечивания, выявление природы эмиссий (что стимулировало лабораторные исследования скоростей реакций, излучательных характеристик атомов и молекул), морфология, диагностика атмосферных параметров и др. Все аспекты указанной проблемы сохраняют актуальность и в настоящее время. Кроме того, в связи с глобальными проблемами изменения климата, космической погоды, экологии возникли новые задачи и аспекты, относящиеся к собственному свечению атмосферы. Так, накопленный к последнему времени многолетний материал по собственному свечению атмосферы позволил привлекать его для исследования и интерпретации выявленных тенденций глобальных и долговременных изменений в атмосфере Земли. В последние десятилетия стала очевидной роль долготной и региональной зависимостей в собственном свечении атмосферы, указывающих на его тесную связь с нижележащей атмосферой и/или подстилающей поверхностью. Над отдельными крупными регионами континентального масштаба с различными геофизическими условиями следовало ожидать отличий в характеристиках собственного свечения атмосферы и его вариациях. В то же время, к моменту выполнения настоящей работы основные сведения о свечении верхней атмосферы в средних широтах были получены по данным европейских и американских станций.

Собственное излучение атмосферы Земли является отражением фундаментальных свойств любой газовой среды - обладать собственным излучением, характеризующим его состояние и динамику. Объектом исследования настоящей работы и является это фундаментальное свойство земной атмосферы - собственное излучение в различных гелиогеофизических условиях. Излучение верхней атмосферы Земли является проявлением сложного комплекса физико-химических процессов в атмосфере Земли и явлений на Солнце. Собственное излучение верхней атмосферы - геофизическое явление, которое возникает в результате диссоциации, ионизации и возбуждения атмосферных составляющих под действием электромагнитной и корпускулярной радиации Солнца. В настоящее время достаточно хорошо исследованы спектральный состав и регулярные вариации излучения основных эмиссионных атомарных и молекулярных линий и полос верхней атмосферы Земли, полученные осреднением данных наблюдений за длительные периоды - ночи, месяцы, годы. Это позволило в последние годы перейти к созданию эмпирических моделей регулярных вариаций основных эмиссий излучения верхней атмосферы. Важно, что регистрация излучения верхней атмосферы являлась одним из первых инструментальных методов исследования верхней атмосферы, для которого получены одни из самых длинных рядов инструментальных наблюдений для рассматриваемой области высот атмосферы.

Значительно в меньшей степени изучены нерегулярные вариации оптического излучения атмосферы при гелиогеофизических возмущениях различной природы, которые позволяют изучать обширный круг явлений, связанных с солнечной активностью, магнитосферно-ионосферными взаимодействиями, взаимодействиями между нижними и верхними слоями атмосферы, литосферно-атмосферными связями. Нерегулярные вариации среднеширотных эмиссий связаны с процессами распространения возмущений в верхней атмосфере Земли типа внутренних и планетарных волн при геомагнитных бурях, стратосферных потеплениях, землетрясениях, запусках космических аппаратов, прохождении метеорологических образований и других быстропротекающих процессов. Между тем для создания полных моделей поведения эмиссий верхней атмосферы, решения ряда практических и научных задач требуется учет и знание закономерностей всех видов возмущений.

Накопленные в течение прошлого столетия знания позволили научному сообществу подойти к решению проблем изменения климата, космической погоды, катастроф различной природы и их проявлений в атмосфере Земли, требующих комплексного подхода и понимания взаимосвязей между литосферой, атмосферой Земли, околоземным космическим пространством, явлений на Солнце. В этой связи одним из направлений исследований, способствующих решению отмеченных проблем, может являться изучение свойств собственного излучения верхней атмосферы в взаимосвязи с климатическими изменениями.

В исследованиях атмосферы Земли заключены и познавательные, философские аспекты изучения окружающего нас мира, связанные с происхождением и эволюцией планет и их атмосфер.

Цель диссертационной работы состояла в исследованиях закономерностей ночного излучения верхней атмосферы в эмиссионных линиях 557.7 и 630 нм в средних широтах Азиатского континента, позволяющих расширить представления о планетарном распределении, многолетних регулярных и нерегулярных вариациях собственного свечения атмосферы.

Методы исследований. В качестве основных методов исследований в работе используются экспериментальные методы получения информации об оптическом излучении атмосферы, методы статистического анализа экспериментальных данных для выявления их закономерностей, методы вычислений характеристик атомных и ионных ансамблей - заселения спектральных уровней и поляризационных моментов, для интерпретации полученных экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность полученных в работе результатов и выводов обусловлена использованием большого экспериментального материала, сопоставлением с моделями и результатами других исследователей, применением апробированных методов экспериментальных исследований и математических и статистических методик обработки результатов. На работы и результаты автора имеются ссылки отечественных и зарубежных исследователей.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Разработаны и внедрены оригинальные методы и устройства для регистрации сверхслабых нестационарных световых потоков лабораторной плазмы и атмосферы Земли.

2. Впервые для региона Восточной Сибири получены данные о характеристиках основных атмосферных эмиссиях 557.7 и 630 нм при различных геофизических условиях, уровнях солнечной и геомагнитной активности. Отдельные виды зарегистрированных вариаций атмосферных эмиссий типичны для всей среднеширотной зоны Азиатского континента и исследованы впервые.

3. Впервые для региона Восточной Сибири исследованы среднеширотные сияния при больших геомагнитных бурях (геомагнитные бури 24-25 марта 1991 г., 6-7 апреля 2000 г., 31 марта 2001 г., 29-31 октября и 20-21 ноября 2003 г. и др.), во время которых на широтах ~ 50^є N были отмечены проявления субавроральной и авроральной ионосферы.

4. Впервые в средних широтах (~ 50^є N) Азиатского континента зарегистрированы SAR-дуги при высоких уровнях геомагнитной активности, дополняющих морфологию SAR-дуг Азиатского континента, полученную ранее в субавроральных широтах (Якутск) при умеренных уровнях геомагнитной активности.

5. Впервые для Байкальской сейсмической зоны показано влияние сейсмической активности на уровни и вариации атмосферной эмиссии 557.7 нм.

6. Исследован сезонный ход атмосферной эмиссии 557.7 нм в регионе Восточной Сибири, указывающий на существование региональных (долготных) особенностей в характеристиках атмосферной эмиссии 557.7 нм, связанных, в частности, с проявлениями стратосферных потеплений.

7. Исследованы особенности поведения вариаций атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.

8. Обнаружены и исследованы субвизуальные оптические вспышки в излучении ночной среднеширотной атмосферы, предложен механизм их образования и проанализирован возможный источник оптических вспышек - микровсплески электронных потоков.

9. Предложено использовать свечение верхней атмосферы как параметр - индикатор гелиогеофизической обстановки и космической погоды, ввести индексы возмущенности атмосферных эмиссий.

Научная и практическая значимость работы:

1. Полученные данные о свечении верхней атмосферы Земли в ранее не исследованной широтно-долготной зоне имеют важное значение для изучения глобальных распределений параметров атмосферы, их вариаций и региональных особенностей при гелиогеофизических возмущениях.

2. Результаты проведенных исследований расширяют и существенно дополняют знания об оптических явлениях и связанных с ними физических процессов верхней атмосферы средних широт.

Результаты работы можно использовать для исследования механизмов и процессов влияния гелиогеофизических возмущений на структурные параметры и динамику средней и верхней атмосферы Земли, трендов атмосферных параметров; при анализе результатов наблюдений и моделирования эффектов естественных и искусственных воздействий типа геомагнитных бурь, землетрясений, солнечных и лунных затмений, запусков космических аппаратов, антропогенных изменений в атмосфере Земли; при оптическом мониторинге и прогнозе состояния атмосферы, гелиогеофизической обстановки и космической погоды.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты систематических многолетних исследований характеристик излучения верхней атмосферы в линиях атомарного кислорода 557.7 и 630 нм в ранее не исследованной широтно-долготной зоне Азиатского континента, позволяющие расширить представления о планетарном распределении свечения атмосферы и установить новые особенности излучения верхней атмосферы при гелиогеофизических возмущениях различной природы.

2. Характеристики среднеширотных сияний во время больших и экстремальных геомагнитных бурь в 23-м солнечном цикле. Экспериментальные факты регистрации SAR- дуг в средних широтах Азиатского континента при высоких уровнях геомагнитных возмущений. Межгодовые вариации атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.

3. Характеристики и физическая интерпретация обнаруженных оптических вспышек в излучении ночной среднеширотной атмосферы.

4. Региональные особенности вариаций интенсивностей атмосферных эмиссий атомарного кислорода 557.7 и 630 нм в Восточной Сибири, обусловленные стратосферными потеплениями, геомагнитной и сейсмической активностью.

5. Разработанные для лабораторных и натурных исследований способы регистрации сверхслабых нестационарных световых потоков, аппаратура и устройства, позволившие исследовать оптические эффекты, процессы и атмосферные явления в широком диапазоне временных масштабов от ~ 10^-6 до 10⁴ сек.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом более чем 30-летних исследований автора. В совместных работах и публикациях, относящихся к исследованию свечения атмосферы Земли участие и вклад автора были определяющими, а результаты, выносимые на защиту в настоящей работе, получены лично автором. В совместных работах и публикациях, связанных с лабораторными экспериментами, участие автора заключалось в постановке и проведении оптических и спектральных измерений, анализе и обсуждении полученных результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по высокоскоростной регистрации быстропротекающих процессов (Москва, 1975); Всесоюзной конференции по плазменной астрофизике (Иркутск, 1976); XV и XVI международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Минск,1981; Дюссельдорф, 1983); Российской конференции "Взаимодействие космических аппаратов с окружающей средой" (Иркутск, 1995); Ассамблее IAGA (Упсала, 1997); Международной конференции "Физика ионосферы и атмосферы Земли" (Иркутск, 1998); Ассамблее IUGG (Бирмингем, 1999); Международной конференции "Солнечная активность и ее земные проявления" (Иркутск, 2000); Международной конференции "The First S-RAMP Conference"(Саппоро, 2000); 33-36 Ассамблеях COSPAR (Варшава, 2000; Хьюстон, 2002; 2004; Пекин, 2006); Российско-китайских совещания и конференциях по космической погоде (Иркутск, 2000, 2002; 2004, Пекин, 2001, 2003, 2007); XXVI Генеральной ассамблее EGS (Ницца, 2001); VIII - XIV Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Иркутск, 2001; Томск, 2002-2007); Международной конференции "Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук" (Иркутск, 2001); коллоквиуме COSPAR "Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Environment" (Пекин, 2001);); Всероссийских конференциях по физике солнечно-земных связей и солнечно-земной физике (Иркутск, 2001,2004); Международной конференции "ENVIROMIS 2002" (Томск, 2002); 4-й Всероссийской конференция по электронным библиотекам (Дубна, 2002); на научных семинарах ИСЗФ СО РАН.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 409 наименований. Общий объем диссертации составляет 260 страниц, включает 44 рисунка и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются предмет и цель исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и дано краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе обзорного характера даются общие сведения о собственном свечении верхней атмосферы Земли, оптических явлениях и эффектах в средней и верхней атмосфере Земли при гелиогеофизических возмущениях. Отмечается, что свечение атмосферы Земли, возникающее на высотах атмосферы ~ 80-1000 км, обусловлено несколькими видами люминесценции - фотолюминесценцией, хемилюминесценцией, флуоресценцией, связанных с определенным диапазоном высот, определенными атмосферными составляющими и обладающих различными морфологическими особенностями. Описываются основные механизмы возбуждения атомарных линий и молекулярных полос в излучении верхней атмосферы. В настоящее время для собственного свечения верхней атмосферы в средних широтах с различной степенью изученности установлено воздействие солнечной активности, геомагнитных бурь, стратосферных потеплений, тропосферных циклонов, метеорной активности, землетрясений, запусков космических аппаратов, орографических эффектов, солнечных и лунных затмений, искусственных воздействий и других гелиогеофизических явлений. В излучении среднеширотной атмосферы отмечаются также явления типа оптических вспышек. Анализ опубликованных работ, позволяет, по-видимому, говорить в настоящее время о нескольких типах оптических вспышек и пульсаций в излучении атмосферы, источником которых могут быть различные явления. Среди последних можно отметить всплески космического рентгеновского и гамма-излучений, высотные молниевые разряды, импульсные ионосферно-магнитосферные процессы.

Проведенный обзор оптических явлений и эффектов в средней и верхней атмосфере Земли при гелиогеофизических возмущениях позволил сформулировать следующие выводы:

1. В настоящее время относительно хорошо исследованы спектральный состав и регулярные вариации излучения основных эмиссионных линий и полос верхней атмосферы Земли больших временных масштабов (суточные, сезонные, многолетние) в отдельных широтно-долготных зонах. Это позволило в последние годы перейти к созданию эмпирических моделей регулярных вариаций основных эмиссий излучения верхней атмосферы.

2. Существует большое количество источников нерегулярных возмущений излучения верхней атмосферы различной природы, пространственно-временных масштабов и областей локализаций - от литосферных до внеатмосферных космических.

3. Морфология большинства нерегулярных возмущений свечения атмосферы исследованы недостаточно. Для отдельных типов возмущений излучения верхней атмосферы не определены их природа, механизмы, отсутствуют модельные представления.

4. В последней трети ХХ столетия были получены сведения о проявлении в свечении верхней атмосферы таких явлений как внезапные зимние стратосферные потепления, струйные течения, землетрясения, орографические эффекты и другие, которые носят выраженный региональный характер. В последние 10-15 лет появились экспериментальные указания на существование в средних широтах долготных зависимостей свечения верхней атмосферы, относящегося к области мезосферы и мезопаузы, которые указывают на возможное влияние нижней атмосферы и/или подстилающей поверхности. Указанные обстоятельства позволяют рассматривать собственное свечение верхней атмосферы Земли как явление, обладающее региональными особенностями. В этом случае, над отдельными крупными регионами с различными геофизическими условиями и степенью континентальности могут иметь место отличия в характеристиках собственного свечения атмосферы и его вариациях.

Во второй главе приведено описание используемых в ИСЗФ СО РАН методов и аппаратуры для регистрации собственного излучения атмосферы Земли и применение результатов лабораторных экспериментов в геофизических исследованиях.

В оптических исследованиях атмосферы могут быть выделены этапы, связанные с применяемыми типами приемников излучения (визуальные, фотографическая пластинка, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи, полупроводниковые приборы с накоплением заряда - ПЗС или CCD системы), спектральной аппаратурой (от простых призменных систем до современных Фурье-спектрометров и светосильных интерферометров), с соответствующими методами регистрации и обработки сигналов. Каждый этап позволял и позволяет получать принципиально новые сведения об исследуемых атмосферных явлениях и процессах. Составной и важной частью атмосферных исследований являются лабораторное моделирование и лабораторный эксперимент.

Регистрация собственного свечения атмосферы Земли относится к сложным техническим задачам. Основной причиной этого является очень малая интенсивность свечения, составляющая для атмосферы Земли порядка 10^-8 от яркости дневного неба. Используемая для регистрации собственного свечения атмосферы аппаратура включает спектрометры для анализа и исследования спектрального состава оптического излучения атмосферы, комплекс фотометров с интерференционными фильтрами, телевизионные мониторы и CCD - камеры для регистрации изображений излучающих атмосферных явлений. излучение атмосфера оптическое свечение

Кратко результаты, изложенные во второй главе, можно сформулировать следующим образом:

Для проведения лабораторных и натурных исследований нестационарных излучающих процессов и атмосферных явлений при непосредственном участии автора была разработана и изготовлена серия оптической и спектральной аппаратуры - фоторегистраторов, TV-мониторов, спектрометров, спектрографов, интерферометров, фотометров с использованием высокочувствительных приемников различного типа - фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей, приборов с зарядовой связью.

Реализованные способы регистрации сверхслабых световых потоков позволили исследовать оптические эффекты, процессы и атмосферные явления в широком диапазоне временных масштабов от 10^-6 до 10⁴ сек. Появление в арсенале экспериментальных исследований и внедрение в практику геофизического эксперимента принципиально новых приемников света позволили исследовать процессы и явления ранее не доступные для регистрации.

При изучении в лабораторном эксперименте пробоя газа в и-пинче, возбуждаемого вакуумно-поверхностным разрядом, при давлении Р ~ (2-5)*10^-4 Торр., близких к атмосферному давлению на высотах 95-100 км, было обнаружено импульсное послесвечение газа, возникающее через 0-100 сек после окончания вакуумно-поверхностного разряда, стимулированное наложением квазистационарного магнитного поля 400-2000 Э или импульсным повышением давления газа. Предположительно импульсное послесвечение газа связанно с развитием электризационного разряда.

В лабораторном эксперименте с плазменным ускорителем типа УЗДП были получены скорости и плотности плазменных потоков ? 10 ⁶ см/сек и 10¹² см^-3 соответственно, близкие к параметрам в набегающих атмосферных потоках на поверхности космических аппаратов на орбитальных высотах. Распределение населенностей атомных и ионных уровней в плазменных потоках носит неравновесный характер. Для атомных уровней неравновесность представлена ионизационным типом.

При исследовании лабораторных токовых слоев получены оптические отображения пространственно-временных характеристик модуляции токовых слоев в и-пинче с антипараллельными магнитными полями. Исследовано взаимодействие 2-х токовых коаксиальных слоев в предложенной плазменной ловушке магнитного потока.

Разработаны оригинальные источники плазмы, в которых плазма может быть получена путем предварительной электризацией поверхности диэлектрика и последующего повышения давления газа или использования электродов специальной формы.

Третья глава посвящена исследованию собственного излучения верхней атмосферы Земли при геомагнитных возмущениях и геомагнитных бурях, межгодовым вариациям атмосферных эмиссии 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.

Геомагнитные возмущения относятся к важнейшим геофизическим явлениям солнечного происхождения, вызывающим возмущения в атмосфере Земли. Особый интерес представляют сильные (Dst ? -350 нТл) геомагнитные бури, во время которых в средних широтах регистрируются среднеширотные сияния, статистика оптических проявлений которых исчисляется единицами. Среднеширотные сияния можно считать отдельным видом среднеширотного свечения, т.к. механизмы и процессы возбуждения отличаются от механизмов и процессов возбуждения в свечении ночной атмосферы в невозмущенных условиях.

Наиболее чувствительной к геомагнитным возмущениям является эмиссия 630 нм, в силу зависимости ее от ионизованной компоненты верхней атмосферы. В спокойных условиях основным процессом является диссоциативная рекомбинация. Во время геомагнитных бурь появляется необходимость рассматривать и другие механизмы, например, перезарядку энергичных атомов и ионов, высыпающихся из кольцевого тока, высыпание электронов авроральных энергий, нагрев сверхтепловыми электронами. Морфологические особенности и механизмы формирования наблюдаемых среднеширотных форм сияний по-прежнему остаются предметом исследований в работах последних лет. Некоторые аспекты среднеширотных сияний (СС) не получили к настоящему времени общепринятых объяснений.

При изучении впервые проведенных в области средних широт ~ 50^є N Азиатского региона инструментальных наблюдений собственного свечения верхней атмосферы в периоды геомагнитных бурь определены характеристики возмущенных атмосферных эмиссий и установлены следующие закономерности:

Минимальные значения K_p и D_st индексов во время геомагнитных бурь, начиная с которых можно ожидать на широте г. Иркутска (52^є N) возмущения в атмосферных эмиссиях (в зените) составляют значения K_p ? 5 и D_st ? - (50-70) нТ. Выявлено 4 типа вариаций интенсивности атмосферных эмиссий, соответствующих различным уровням и фазам магнитных бурь: волнообразные колебания интенсивности атмосферной эмиссии 630 нм; значительное возрастание интенсивности атмосферной эмиссии 630 нм (среднеширотные сияния типа "d", главная фаза магнитной бури); возмущение атмосферных эмиссий 557.7 нм, 630 нм и 391.4 нм аврорального типа; SAR - дуги (фазы восстановления магнитных бурь). Максимальные зенитные интенсивности эмиссии 630 нм, зарегистрированные в периоды больших геомагнитных бурь, имели значения ~ 19 кРл. Во время гигантской магнитной бури 20 ноября 2003 г. отмечались вариации авроральных эмиссий 557.7 и 391.4 нм, коррелирующие с суббуревой активностью. Интенсивность эмиссии 557.7 нм достигала значений ~ 11 кРл. СС отмечались на более низких широтах, чем обычно указывают для полярных сияний.

Среднеширотные сияния, соответствующие главной фазе магнитной бури, в рассматриваемой долготной зоне преимущественно наблюдаются во вторую половину ночи, что интерпретируется существованием UT зависимостей параметров источников среднеширотных сияний. Следствием является существование долготной зависимости вероятности регистрации среднеширотных сияний.

Впервые в области средних широт ~ 50^є N в Азиатском регионе в период очень сильных магнитных бурь (D_st ? - 300 нТл) зарегистрированы SAR-дуги, характеристики которых в описываемых условиях отражают динамику и состояние ионосферно-магнитосферных структур (в частности, плазмопаузы) при экстремальных уровнях геомагнитных возмущений.

Зарегистрированные характеристики среднеширотного сияния 20 ноября 2003 г. во время гигантской магнитной бури, статистика магнитных бурь по D_st индексу и его корреляция с интенсивностью эмиссии 630 нм во время геомагнитных возмущений позволили утверждать, что среднеширотное сияние 20 ноября 2003 г. может быть отнесено к экстремально наблюдаемым как в месте локализации ГО ИСЗФ СО РАН, так и в других среднеширотных зонах. Вероятно, среднеширотное сияние 20 ноября 2003 г. может дополнить список наиболее знаменитых сияний (Great aurora).

В таблице 1 приведены основные данные о больших геомагнитных бурях и зарегистрированных максимальных интенсивностях эмиссий 630 и 557.7 нм во время СС в ГО ИСЗФ СО РАН в период с 1989 по 2008 гг. Тип бури дается по классификации NOAA (http://sec.noaa.gov/NOAAscales/index.html).

Таблица 1. Характеристики геомагнитных бурь и значения интенсивностей эмиссий 630 и 557.7 нм

Также рассматривалась поляризация протонного полярного сияния в водородной эмиссии Н_в в связи с упоминанием в литературе поляризации среднеширотных сияний. Были рассмотрены экспериментальные результаты спектрополяриметрии водородной эмиссии Н_в в полярных сияниях для оценки энергии протонного пучка, обуславливающего поляризацию эмиссии Н_в. В предположении, что наблюдаемая линейная поляризация излучения Н_в обусловлена наведением упорядоченности угловых моментов в состоянии с главным квантовым числом n = 4 ансамбля атомов водорода протонным пучком, распространяющимся вдоль силовой линии магнитного поля Земли. Рассматривалось упорядоченное распределение угловых моментов в возбужденном состоянии ансамбля атомов водорода с квантовыми числами n и l, тип которого характеризуется порядком поляризационного момента с^k_q (l). Величина с⁰₀(l) (скаляр) пропорциональна заселенности состояния с главным квантовым числом n и орбитальным моментом l, а величины с¹_q(l) и с²_q(l), называемые соответственно вектором ориентации и тензором выстраивания, определяют дипольный магнитный и квадроупольный электрический моменты наводимой упорядоченности. Та или иная комбинация поляризационных моментов с⁰₀(l), с¹_q(l) и с²_q(l), необходимых для описания ансамбля частиц, зависит от свойств симметрии процессов в газе и проявляется в поляризации линейчатых спектров спонтанного излучения.

В итоге было получено, что параметр Стокса Q приблизительно постоянен и равен (3.20.5) %. Из сравнения этого значения с зависимостью параметра Q от величины энергии протонного пучка был сделан вывод, что указанной величине степени поляризации удовлетворяют два интервала энергии: Е = 986 и 1368 кэВ. Согласно результатам, полученными спектрометрическим методами, энергия протонного пучка, ответственного за возбуждение ансамбля атомов водорода, излучение которого обуславливает полярное сияние, в основном лежит в диапазоне 1-100 кэВ. Характерные высоты протонных полярных сияний (105-145 км) также указывают на высыпающиеся протоны с энергиями, не превосходящими 100-150 кэВ. Таким образом, был сделан вывод, что полученные оценки энергии протонного пучка, полученные на основе рассмотрения поляризационных характеристик излучения, совпадают с наблюдаемым интервалом энергий протонов в протонных полярных сияниях.

В связи с наблюдаемыми климатическими изменениями было проведено исследование данных регулярных наблюдений среднеширотного свечения ночной атмосферы в линиях 557.7 нм (высоты высвечивания 85-115 км) и 630 нм (180-250 км), полученных в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (52^є N, 103^є E) в текущем 23-м солнечном цикле и сопоставление с данными наблюдений, полученными в предыдущие солнечные циклы на других среднеширотных станциях.

В общем случае, интенсивность эмиссии 630 нм в 23-м солнечном цикле изменялась в фазе с солнечным циклом, увеличиваясь от периодов низкой солнечной активности к периоду высокой солнечной активности. Отношение значений интенсивностей эмиссии 630 нм в максимуме и минимумe солнечной активности составило величину ~ 2.3. В вариациях среднемесячных значений эмиссии 630 нм выделяются 2-3 летние периоды, которые, возможно, связаны с наложением не совпадающих по фазам эффектов солнечной и геомагнитной активности.

В течение 23-го солнечного цикла корреляция интенсивности эмиссии 557.7 нм с солнечной активностью (F_10.7) имела качественно различный характер в разные фазы цикла. На фазе роста и максимума солнечной активности отмечалась отрицательная корреляция среднемесячных значений интенсивностей эмиссии 557.7 нм и индекса F_10.7, которая сменилась положительной корреляцией на фазе спада. Нарушение корреляции среднемесячных значений интенсивностей эмиссии 557.7 нм с индексом F_10.7 на фазе роста солнечной активности в 23-м солнечном цикле связывается с аномальным термодинамическим режимом средней атмосферы в 1998-2000 гг. Выявлено, что особенности многолетних вариаций интенсивности эмиссии 557.7 нм в 23-м и 20-м солнечных циклах наиболее подобны.

Четвертая глава посвящена вариациям атмосферной эмиссии 557.7 нм в периоды стратосферных потеплений и полетов космических объектов.

Одним из значимых источников возмущений в свечении атмосферы являются стратосферные потепления. Проведенные в 60-70 годах прошлого века исследования влияния стратосферных потеплений на вариации атмосферных эмиссий давали средние значения амплитуд вариаций эмиссии 557.7 нм 20-30 %, в отдельных случаях до 100 %. Среди классических работ можно отметить работу Fukuyаma (1977), выполненную в основном по данным европейских станций. Эти же значения амплитуд возмущений были заложены в эмпирические модели (Семенов, Шефов, 1997).

В регионе Восточной Сибири во время стратосферных потеплений зарегистрированы аномально высокие значения интенсивности эмиссии 557.7 нм, превосходящие средние сезонные значения на 200-450 %. Значения интенсивностей эмиссии 557.7 нм, зарегистрированные в периоды стратосферных потеплений в январе 2000 г. (~ 2000 Рл) и декабре 2001 г. (~ 2200 Рл), могут быть отнесены к экстремально регистрируемым возмущениям интенсивности этой эмиссии в средних широтах. Аномально высокие значения интенсивности эмиссии 557.7 нм (? 2000 Рл) во время этих событий позволяют формально отнести их к среднеширотным сияниям немагнитосферной природы.

Для уточнения механизмов формирования аномально высоких значений интенсивности эмиссии 557.7 нм во время стратосферных потеплений были исследованы связи интенсивностей этой эмиссии с температурой мезосферы на высоте высвечивания ее максимума и спорадическими E_s слоями.

Была выявлена положительная регрессионная зависимости интенсивности эмиссии 557.7 нм и температуры на высоте 95 км (данные лимбового зонда MLS спутника Aura EOS), которая не соответствует температурным зависимостям реакций рассматриваемых механизмов возбуждения эмиссии 557.7 нм. В связи с этим температура и ее вариации не могут быть привлечены в качестве основного механизма формирования аномально высоких значений интенсивности эмиссии 557.7 нм во время стратосферных потеплений. В этом случае, аномально высокие значения интенсивности эмиссии 557.7 нм во время стратосферных потеплений могут быть обусловлены как увеличением концентрации атмосферных составляющих, обуславливающих заселение уровня ¹S атомарного кислорода (например, О и О ₂), так и уменьшением концентрации атмосферных составляющих, дезактивирующих заселение уровня ¹S атомарного кислорода (т.е. изменением соотношения между атмосферными составляющими, участвующими в возбуждении и гашении уровня ¹S) или изменением их высотных распределений.

Спорадические E_s слои, образуясь на высотах высвечивания эмиссии 557.7 нм, по данным отдельных работ могут вызывать увеличение интенсивности эмиссии 557.7 нм или служить источником ее возмущений. В связи с этим были исследованы события одновременного усиления ночного излучения верхней атмосферы в линии атомарного кислорода 557.7 нм и образования спорадических E_s слоев в средних широтах в период температурного возмущения на высотах стратосферы и мезосферы. В межсуточных вариациях усиления интенсивности линии 557.7 нм и наблюдаемости спорадических слоев E_s была выявлена задержка ~ 1 суток, что в совокупности с другими данными, в частности, высотными распределениями температуры на уровнях стратосферы и мезосферы, указывало на разнесенность по высотам эмиссионного слоя 557.7 нм и спорадических слоев E_s. Это обстоятельство, как и отсутствие внутрисуточных регулярных корреляций между интенсивностью эмиссии 557.7 нм и характеристиками спорадических слоев E_s, пока не дает оснований для привлечения (по крайней мере, для рассмотренных геофизических условий) реакций заселения уровня ¹S атомарного кислорода с участием электронов (например, О + е > О(¹S) +е) для интерпретации наблюдаемых аномально высоких значений интенсивности эмиссии 557.7 нм во время стратосферных потеплений.

Полет в верхних слоях атмосферы искусственных и естественных космических объектов - метеоров, космических аппаратов (КА) и их фрагментов может сопровождаться развитием на высотах верхней атмосферы ряда явлений: образованием ударных и акустико-гравитационных волн, нагревом и ионизацией среды, модификацией ионосферы в случае движения КА с работающим двигателями и др., что в ряде случаев приводит к оптическому проявлению этих явлений в виде возмущений собственного излучения атмосферы. При этом условия возникновения, основные характеристики и механизмы возмущений оптического излучения выяснены только для некоторых реализующихся в верхней атмосфере геофизических ситуаций.

Нами исследовались возмущения излучения ночной среднеширотной атмосферы движущимися космическими объектами - при запусках космических аппаратов (КА) и в период прохождения метеорного потока Леониды в 2001 г. Зарегистрированы возмущения излучения эмиссионных атмосферных слоев в линиях 557.7 и 630 нм атомарного кислорода, возникающие при полете космических систем в дальней зоне от места старта КА (>2500 км). Возмущения проявляются в изменениях, в течение десятков минут, временного спектра вариаций оптического излучения в послестартовые периоды регистрации. Характерное время между стартом КА и появлением тенденции к изменению временного спектра для длины волны излучения 557.7 нм составляет ~ 7-25 минут. Возмущения соответствуют диапазону колебаний атмосферных акустических волн. При запуске КС "Энергия" зарегистрировано кратковременное увеличение интенсивности излучения в линии 557.7 нм, предшествующее появлению отмеченным выше возмущениям. Кратковременное увеличение интенсивности излучения при запуске КС "Энергия" может быть обусловлено как гидродинамическими возмущениями (ударная волна и сопутствующие этому эффекты), так и изменением химического состава под действием выбросов продуктов сгорания (модификация ионосферы).

В период максимальной фазы прохождения метеорного потока Леониды 18 ноября 2001 г. в спектрах вариаций свечения атмосферы (эмиссии 557.7 и 630 нм) отмечалось изменение вида спектрального распределения колебаний по сравнению с предшествующими днями, заключающееся в относительном увеличении амплитуд сигналов в диапазоне периодов ~ 5-100 минут. Значения кросскорреляционной функции для временных рядов эмиссий 557.7 и 630 нм в отдельные интервалы времени 18 ноября 2001 г достигали величин ~ 0.7-0.8 с временными сдвигами 30-50 минут. Указанные периоды колебаний зарегистрированы также в вариациях полного электронного содержания и приземного атмосферного давления, для которых в отдельные интервалы времени отмечались высокие коэффициенты корреляции с вариациями эмиссий 557.7 и 630 нм. Эти периоды колебаний и оцененные по нашим данным вертикальные фазовые скорости волновых возмущений соответствуют характеристикам ВГВ в верхней атмосфере.

Рассмотрение результатов исследования стартов КА и прохождения метеорного потока Леониды 2001 позволяет утверждать, что волновые возмущения верхней атмосферы, обусловленные движущимися космическими объектами, в ряде случаев могут охватывать всю атмосферную толщу, от приземных слоев до ионосферных высот, в достаточно широком частотном диапазоне.

В пятой главе излагаются результаты исследований оптических вспышек в излучении ночной среднеширотной атмосферы.

Субвизуальные оптические вспышки (ОВ) излучения ночной атмосферы являются наименее изученным явлением в оптике верхней атмосферы. Первоначально ОВ были обнаружены в авроральной, затем в субавроральной зонах.

Нами были обнаружены и исследованы ОВ в излучении ночной среднеширотной атмосферы с длительностями десятки-сотни миллисекунд. Определены энергетические характеристики вспышек, особенности спектрального состава излучения оптических вспышек, суточное распределение среднего числа вспышек, временная форма, пространственные масштабы отдельных вспышек и другие параметры.

Был предложен источник и физическая интерпретация ОВ, связанные с микровсплесками электронных потоков. Рассматривалось заселение спектральных уровней ¹S и ¹D OI при микровсплесках электронных потоков (МКВ) путем решения уравнений баланса для уровней ¹S и ¹D с учетом электронных высыпаний. Для уровня ¹S уравнение баланса записывалось в виде:

= K₂ N + n_e (t) V_eэф N_эф - (K₃ O₂ + K₄ N₀ + A_s) N_s

где N_S - концентрация атомов нейтрального кислорода ОI в состоянии ¹S, N₀ - концентрация нейтрального кислорода в основном состоянии ³P. Первый и последний члены в правой части уравнения отражают заселение и дезактивацию уровня ¹S в соответствии с механизмом Чепмена в невозмущенных условиях, второй член - заселение рассматриваемого уровня при электронных высыпаниях МКВ.

Было установлено, что длительности МКВ 0.005-0.8 сек сопоставимы с длительностями регистрируемых оптических вспышек 0.01-1 сек., т.е. можно выделить источник возбуждения атмосферных составляющих на высотах верхней атмосферы с характерным временным масштабом. Существует диапазон высот, в пределах которого времена релаксации уровней ¹S и ¹D OI оказываются существенно меньше их радиационных времен жизни, достигая в частности минимальных значений длительностей оптических вспышек. В этом диапазоне высот осуществляется наиболее эффективное взаимодействие электронов с энергией ~ 2-40 кэВ с атмосферными составляющими. Количественная оценка заселения уровня ¹S OI при МКВ позволяет допустить возможность заселения этого уровня, достаточного для оптического проявления при наземных оптических наблюдениях.

Также были проведены расчеты поляризации ОВ, для которых ранее экспериментально зарегистрирована поляризация излучения. Рассчитывались сечения наведения упорядоченности угловых моментов типа заселенности и выстраивания и оценка степени поляризации излучения атомов кислорода в запрещенной линии 630 нм, соответствующей переходу ³P_2-¹D₂, в предположении столкновительного возбуждения высокоэнергичными электронами применительно к атмосферным оптическим вспышкам. Что касается линии яркой зеленой линии 557.7 нм, соответствующей переходу ¹D_2-¹S₀, то она не может быть поляризована в силу того, что, как это следует из общей теории сложения моментов, в состоянии ¹S₀ невозможно создать упорядоченность ранга, отличного от нуля.

Вычисленные поляризационные моменты возбужденного состояния ¹D₂ определяют параметр Стокса Q излучения, соответствующего магнитному дипольному переходу ³P_2-¹D₂. В результате было получено, что при малых значениях относительных скоростей значение параметра Стокса Q быстро возрастает, достигая значения 25 % в районе энергии относительного движения в 300 эВ. Далее значение этого параметра держится в районе 30 % вплоть до 1.5 кэВ, потом начинает убывать, что объясняется более быстрым ростом сечения наведения упорядоченности типа заселенности, чем выстраивания. Если предположить, что в оптических вспышках возбуждение уровня ¹D₂ осуществляется в основном вторичными электронами в диапазоне энергий 2-100 эВ, то согласно приведенному выше расчету этому диапазону энергий электронов могут соответствовать значения степени поляризации излучения линии 630 нм 10-24 %. Это оказывается несколько меньше экспериментально зарегистрированных значений степени поляризации ~ (18-56) %, но тем не менее свидетельствуют, что при определенных условиях наблюдений можно ожидать значительной поляризации красной линии 630 нм атомарного кислорода.

Шестая глава посвящена региональным особенностям излучения верхней атмосферы Земли в Восточной Сибири (Геофизическая обсерватория ИСЗФ СО РАН).

Одна из особенностей рассматриваемого региона связана с излучением верхней атмосферы в периоды геомагнитных возмущений. Исследования среднеширотных сияний во время больших геомагнитных бурь показали их преимущественную регистрацию в определенные часы суток (суточная зависимость вероятности наблюдения среднеширотных сияний). Среднеширотные сияния типа "d", которые наблюдались в главные фазы магнитных бурь, обладают общей особенностью, связанной с их регистрацией во вторую половину ночи. Особенность регистрации среднеширотных сияний во вторую половину ночи в периоды главных фаз магнитных бурь в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН связывается с выявленной корреляцией интенсивности доминирующей эмиссии 630 нм с Dst-индексом вариаций геомагнитного поля во время геомагнитных возмущений, для которого существует выраженная UT зависимость. В работе Cliver E.W и др. (2000) по большой статистике, полученной для всех дней периода 1957-1997 гг., проведен анализ средних суточных распределений часовых значений Dst-индексов и показано существование двух минимумов (максимумов геомагнитных возмущений) приходящихся на 0-6 и 18-24 UT. Нами был проведен аналогичный анализ средних суточных распределений часовых значений Dst - индексов за период 1957-2000 гг. для геомагнитно возмущенных дней со значениями Dst-индексов соответственно ? -50, -100, -200 и -300 нT. В результате также были выделены два минимума в суточном распеределении Dst - индексов в 0-6 и 18-24 UT, причем наибольший минимум приходится на 18-24 UT. Было выявлено, что интервалы времени в рассматриваемой долготной зоне Восточной Сибири, доступные для ночных оптических наблюдений, совпадают со вторым минимумом в суточном распределении Dst-индексов (18-24 UT), который приходится соответственно на вторую половину ночи и предрассветные часы по местному времени LT. В качестве одной из основных причин появления долготных и UT зависимостей авроральных явлений указывают несовпадение геомагнитных и географических полюсов и соответственно изменение положения геомагнитного поля Земли по отношению к межпланетному магнитному полю в течение суток. Зависимость интенсивности эмиссии 630 нм от Dst-индекса во время геомагнитных бурь имеет физическую интерпретацию, связанную с взаимодействием усиливающего кольцевого тока (который и определяет Dst-вариации) с плазмосферой, результатом которого могут быть усиления потоков плазмы из плазмосферы в ионосферу и ее нагрев. Таким образом, существование выраженной UT зависимости Dst вариаций геомагнитного поля и обсуждаемая связь интенсивности эмиссии 630 нм с величиной кольцевого тока (Dst) должны приводить к появлению зависимости вероятности регистрации различных типов среднеширотных сияний от долготы (для фиксированных геомагнитных широт), обусловленной различными соотношениями между UT временем, соответствующим минимальным Dst-индексам (максимальным геомагнитным возмущениям), и LT временем ночных периодов наблюдений для различных долготных зон. Подтверждением этого может служить и регистрация преимущественно в первую половину ночи возмущений эмиссии 630 нм в фазы восстановления магнитных бурь, интерпретируемые как SAR-дуги, в регионе Восточной Сибири.

Вторая региональная особенность связана с увеличением интенсивности атмосферной эмиссии 557.7 нм в периоды внезапных зимних стратосферных потеплений, для которых характерна географическая неоднородность и, в частности, их высокая концентрация и частая повторяемость в Азиатском регионе. Последние обстоятельства находят свое отражение в сезонном ходе эмиссии 557.7 нм, полученном для региона Восточной Сибири: среднемесячные значения эмиссии 557.7 нм в зимние месяцы превышают соответствующие значения, полученные из данных наблюдений на других среднеширотных станциях и соответствующих эмпирических моделей вариаций интенсивности этой эмиссии.

К региональным особенностям могут быть отнесены вариации и возмущения свечения верхней атмосферы Земли в периоды сейсмической активности. Ранее для среднеазиатской сейсмической зоны было показано, что в период подготовки и развития землетрясений в эмиссиях верхней атмосферы наблюдаются возмущения различных временных масштабов. В настоящее время существуют только гипотезы физических механизмов, приводящих к появлению вариаций атмосферных эмиссий, что связано, в частности, и с недостаточностью экспериментальных данных, полученных в различных сейсмогеологических зонах и условиях. Нами был проведен анализ параметров излучения верхней атмосферы Земли для линии излучения атомарного кислорода 557.7 нм в период землетрясений для Байкальской сейсмической зоны. Были выявлены эффекты влияния землетрясений на уровни и вариации собственного излучения верхней атмосферы Земли, заключающиеся в изменении средней ночной интенсивности эмиссии 557.7 нм в период сейсмической активности (увеличении интенсивности эмиссии 557.7 нм за 1-2 суток до землетрясения и снижение после землетрясения), изменении спектра и уровня короткопериодических вариаций (периоды минуты-десятки минут), и в отдельных случаях, изменениях ночного хода эмиссии 557.7 нм. Полученные результаты влияния сейсмической активности на уровни и вариации свечения верхней атмосферы для Байкальской сейсмической зоны качественно согласуются с экспериментальными данными, полученными в среднеазиатской сейсмической зоне. Оценен вероятный пространственный масштаб возмущений в свечении атмосферы при землетрясениях (? 10³ км). В этом случае, возмущения свечения верхней атмосферы, связанные с землетрясениями и характерные только для сейсмически активных регионов, могут проявляться в региональных особенностях вариаций атмосферных эмиссий (например, суточных, сезонных вариациях).