Введение к работе
Актуальность темы. С момента обнаружения и отождествления гидроксильного излучения в середине 20-го столетия оно стало предметом интенсивных исследований, поскольку, имея большую энергетику (~1 эрг/см2 с), оно информативно отображает процессы преобразования энергии в области мезопаузы, поглощаемого УФ излучения Солнца в области спектра короче 240 нм. Наблюдаемые разнообразные вариации характеристик гидроксильного излучения позволяют получать сведения не только о свойствах молекулярных процессов, но и использовать их для изучения состояния земной атмосферы.
Наземные наблюдения колебательно-вращательных полос гидроксильного излучения используются для исследования температурного режима, динамики и газовых составляющих в области верхней мезосферы и нижней термосферы (80 - 100 км). Гидроксильное излучение одно из самых значимых в верхней атмосфере. Эта его особенность обусловлена тем, что оно обладает несколькими такими важными для исследования процессов в среде атмосферы параметрами, как равновесная вращательная температура (Г,), отображающая температуру окружающей среды на высотах свечеігая гидроксила, и колебательная температура (Т,) , характеризующая процессы образования возбужденных молекул гидроксила и их дезактивации, и интенсивность /- индикатор скоростей процессов преобразования энергии.
За последние десятилетия резко возросла роль антропогенного влияния на атмосферу, верхняя часть (>80 км) которой является особенно чувствительной на возникающие изменения ее химического состава. Индикатором этих процессов служат различные оптические излучения, отображающие эти изменения, что позволяет осуществлять их регистрацию с поверхности Земли. Наиболее информативным излучением в верхней атмосфере является гидроксильная эмиссия, позволяющая исследовать закономерности поведения большого комплекса агрономических параметров верхней атмосферы. Все это и обусловливает актуальность проведения таких исследований.
Целью работы является исследование одновременных вариаций вращательной температуры полос гидроксила (ОН) с различным колебательным возбуждением и распределения населенностей по колебательным уровням, которое может быть аппроксимируемо в простейшем случае Больцмановским распределением, а также одновременного поведения ингенсивностей полос ОН, как средства получения данных для исследования структурных параметров верхней атмосферы и их вариаций различного временного масштаба для различных гелио-геофизических условий.
Поставленная цель требовала решения следующих задач:
1. Разработать и изготовить комплекс спектрографической аппаратуры,
обеспечивающей регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила в
ночном собственном свечении верхней атмосферы в оптическом и ближнем ИК диапазонах
2. Проведение одновременных измерений в нескольких участках спектра, позволяющих
максимально охватить все возможные возбужденные уровни молекулы ОН (от 3-го до 9-го).
Наблюдения должны были регулярно выполняться в течение различных сезонов года.
-
Накопление с помощью проведенных измерений экспериментальных данных о характеристиках гидроксильного излучения с различных колебательных и вращательных уровней.
-
Анализ экспериментального материала для выявления вариаций характеристик излучения гидроксила различного временного масштаба (несколько минут, в течение ночного времени суток, в течение сезонов года и т.д.) и закономерностей различий вращательной температуры для разных колебательных уровней, взаимосвязи полученных данных с другими характеристиками средней атмосферы.
Научная новизна и основные результаты работы
-
Проведены спектрографические наблюдения гидроксильного излучения в спектральной области 0.62 - 1.05 мкм. Впервые на основе этих одновременных наблюдений всего набора полос излучения молекулы гидроксила с третьего по девятый колебательные уровни основного электронного состояния определены абсолютные интенсивности всех полос с различным колебательным возбуждением, вращательные температуры и населенности всех колебательных уровней ОН.
-
Впервые на основе результатов измерений излучения верхней атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра для конкретных гелио-геофизических условий получено спектральное распределение интенсивности излучения в абсолютных фотометрических единицах рэлей (Рл), которое является современной версией «Атласа спектра излучения среднеширотной ночной атмосферы в видимой и ближней инфракрасной областях спектра»
-
Выявлены новые закономерности в сезонных вариациях интенсивности излучения и вращательной температуры гидроксильного излучения с различным колебательным возбуждением.
-
Впервые проведены в одной области атмосферы одновременные наземные измерения излучений гидроксила и озона в области мезопаузы. На основе анализа полученных данных определены на высотах мезопаузы (80-90 км) температура, общая концентрация молекул азота и кислорода, концентрация озона, атомарного водорода и кислорода.
-
Построена модель сезонных вариаций высотного распределения озона на высотах 80-100 км для условий высокой и низкой солнечной активности
-
Определены статистические характеристики сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы.
Достоверность полученных результатов обеспечена калибровкой интенсивности излучения с точностью ~ 1% и вращательных температур, определяемых с точностью 2 К, большим объемом материалов наблюдений и использованием стандартных методов статистической обработки результатов измерений.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований были применены для определения ряда структурных параметров средней атмосферы, коррекции данных многолетних изменений ее температуры, а также при разработке модели высотных распределений температуры и плотности. Они могут быть использованы для уточнения некоторых деталей механизмов возникновения гидроксильного излучения, связанных с его высотных распределением.
На зашиту выносится:
-
Изготовление комплекса спектрографической аппаратуры, обеспечивающий регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила в ночном собственном свечении верхней атмосферы в оптическом и ближнем ИК диапазонах. Он позволяет проводить одновременные измерения в нескольких участках спектра, для регистрации всех возможных возбужденных уровней молекулы ОН (от 3-го до 9-го).
-
Создание современной версии атласа излучения среднеширотной ночной верхней атмосферы, с распределением интодсивности в абсолютных единицах (рэлей) для области спектра 620-1050 им.
-
Выявление некоторых особенностей сезонного поведения характеристик гидроксильного излучения для исследования температурного режима, динамики и газовых составляющих в области верхней мезосферы и нижней термосферы.
-
Разработка методики и представление результатов определения наиболее полного ряда атмосферных параметров (температура, общая концентрация N2 и Оь концентрации Оз, О, Н, ОН (v)) для области ночной мезопаузы, на основе одновременных наземных измерений излучения озона в миллиметровом (ММ) диапазоне и излучения гидроксила в ближней инфракрасной (ИК) области.
-
Модель высотного распределения озона на высотах 80-100 км, построенная на основе опубликованных ракетных высотных распределений интенсивности полос ОН, а также температуры средней атмосферы на высотах 30-110 км.
-
Получение статистических характеристик сезонных вариаций температуры мезосферы и нижней термосферы и ее трендов по данным многолетних измерений характеристик верхней атмосферы. Проведенный анализ экспериментальных данных позволил выявить сезонные тренды температуры.
Личный вклад. Работа выполнялась в течение 1999 - 2003 г.г. в ходе проведения плановых работ Института физики атмосферы им. AM. Обухова (ИФА) РАН. Автором проведены комплексные спектрографические наблюдения на Звенигородской научной станции ИФА РАН. Автор принимал непосредственное участие в постановке исследовательских задач, обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, докладывались на 25* Annual Seminar "Physics of auroral phenomena". Apatity. 26 February-01 March 2002, на 34th Научной Ассамблее COSPAR (Houston, TX, USA, October 12-19, 2002), на Международном симпозиуме по динамике и химии области мезосферы и нижней термосферы (PSMOS 2002. International Simposium on Dynamics and Chemistry of the MLT Region). (Foz do Iguacu, Brazil, October 4-8, 2002), на 26* Annual Seminar "Physics of auroral phenomena". Apatity. 25-28 February 2003, на 7-й Всероссийской конференции молодых ученых «Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере», 13-15 мая 2003, г. Нижний Новгород, на Международной конференции «Околоземная астрономия - 2003», 8-13 сентября, 2003 г., и на семинарах Отдела теории климата и Лаборатории физики верхней атмосферы ИФА РАН.
Структур» и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 151 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок и 10 таблиц
Похожие диссертации на Исследование вариаций температуры и состава малых газовых компонентов ночной мезопаузы по излучению молекул гидроксила
