Sankt-Peterburg, Russian Federation
Saint Petersburg, St. Petersburg, Russian Federation
Alma-Ata, Kazakhstan
Sankt-Peterburg, Russian Federation
The method of digital difference filters is applied to the data analysis of SATI observations of hydroxyl nightglow intensity and rotational temperature at altitudes 85–90 km over Almaty (43°03' N, 76°58' E), Kazakhstan, in 2010–2017. We examine seasonal and interannual variations in average monthly values and standard deviations of variations with periods 0.4–5.4 hrs, which may be associated with internal gravity waves in the mesopause region. The average monthly temperature near the mesopause has a maximum in winter and a minimum in June. The average monthly intensity has an additional maximum in June. Standard deviation of mesoscale rotational temperature variations and characteristics of internal gravity waves are maximum in spring and autumn. The spring maximum of mesoscale OH emission intensity variations is shifted to June. Interannual variations and multi-year trends of OH rotational temperature and emission intensity may differ in detail. This may be connected with seasonal and long-term variations in the complex system of the photochemical processes, which produce the OH nightglow.
upper atmosphere, nightglows, hydroxyl, intensity, rotational temperature, climatology, seasonal variations, trends, mesoscale variability, internal gravity waves
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию внутренних гравитационных волн (ВГВ) в средней и верхней атмосфере. Их источники находятся в основном в нижних слоях атмосферы. Распространяясь вверх, ВГВ способны переносить энергию и импульс в среднюю и верхнюю атмосферу, оказывая, таким образом, влияние на термодинамические процессы на всех высотах атмосферы. Измерение интенсивности свечений ночного неба и вращательной температуры является одним из способов мониторинга термодинамического режима и состава верхней атмосферы.
Распространяясь через слой ночной эмиссии верхней атмосферы, ВГВ модулируют температуру и интенсивность излучения [Шефов и др., 2006]. Когерентные волнообразные структуры были обнаружены в слоях излучения OH, Na, О и O2 в интервале высот 80–100 км [Krassovski, 1972; Красовский и др., 1978; Гаврилов, Швед, 1982; Taylor et al., 1987]. В работе [Swenson, Mende, 1994] наблюдались квазимонохроматические ВГВ и процессы разрушения волн с последующим образованием вихревых структур в слое ночного свечения ОН. В работах [Taylor, Hapgood, 1990; Vadas et al., 2009] обнаружены волновые структуры с горизонтальными длинами волны 5–l60 км в слое свечения ОН. По наблюдениям в Шигараки, Япония, выявлены типичные параметры ВГВ в слое свечения ОН: горизонтальные длины 5–60 км, периоды 5–30 мин, горизонтальные фазовые скорости 0–100 м/с [Nakamura et al., 1999].
В ряде работ исследовались долговременные изменения интенсивности ВГВ в верхней атмосфере. В работе [Gavrilov et al., 2002b] сделан статистический анализ средне- и крупномасштабных ВГВ с периодами 0.5–5 ч и длинами волны 100–1700 км в слоях излучения OH и О2 с 1998 по 2001 г. Исследовалась также межгодовая и сезонная изменчивость температуры области мезопаузы по данным спектральных наблюдений гидроксильного излучения в Звенигороде и Иркутске в 2000–2010 гг. [Перминов и др., 2014]. В работах [Медведева и др., 2011; Перцев и др., 2013] изучена изменчивость характеристик области мезопаузы во время внезапных стратосферных потеплений. Исследования последних лет выявляют наличие многолетних изменений характеристик верхней атмосферы [Laštovička, 2017].
В работе [Гаврильева и др., 2009] анализировались изменения интенсивности ночной эмиссии и вращательной температуры ОН под действием атмосферных приливов. Сомсиков и др. [2015] исследовали средние характеристики ВГВ в слое свечения ОН в Алма-Ате за 2010–2015 гг. Они определили, что основной вклад в мезомасштабные вариации слоя свечения ОН вносят ВГВ с горизонтальными длинами 100–900 км. Аналогичные значения горизонтальных длин ВГВ были получены ранее при анализе данных наблюдений эмиссий ОН и О2 с помощью прибора SATI (Spectral Airglow Temperature Imager) в Шигараки, Япония [Gavrilov et al., 2002b]. Исследование вариаций ночного свечения O2 прибором MORTI в Алма-Ате дало даже большие горизонтальные длины ВГВ — до нескольких тысяч километров [Aushev et al., 2000].
В работе [Gavrilov et al., 2001] с использованием простых разностных фильтров проанализированы сезонные и межгодовые изменения интенсивности ВГВ на высотах 80–100 км по наблюдениям дрейфов метеорных следов и ионосферных неоднородностей. Этот метод оказался эффективным для анализа многолетних изменений интенсивности ВГВ в верхней атмосфере [Gavrilov et al., 1995, 2002a].
В данной работе метод цифровых разностных фильтров используется для анализа данных наблюдений ночного свечения и вращательной температуры гидроксила на высотах 85–90 км прибором SATI в Алма-Ате, Казахстан, в 2010–2017 гг. Исследуются сезонные и межгодовые изменения средней температуры и интенсивности вариаций в трех интервалах периодов, покрывающих диапазон 0.4–5.4 ч, которые могут быть связаны с распространением ВГВ в области мезопаузы.
1. Ammosov P., Gavrilyeva G., Ammosova A., Koltovskoi I. Response of the mesopause tem-peratures to solar activity over Yakutia in 1999-2013. Adv. Space Res. 2014, vol. 54, pp. 2518-2524. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.06.007.
2. Aushev V.M., Pogoreltsev A.I., Vodyannikov V.V., Wiens R.H., Shepherd G.G. Results of the airglow and temperature observations by MORTI at the Almaty site (43.05 N, 76.97 E). Physics and Chemistry of the Earth. (Part B). 2000, vol. 25, no. 5-6, pp. 409-415. DOI:https://doi.org/10.1016/S1464-1909(00) 00035-6.
3. Gavrilov N.M., Shved G.M. A study of internal gravity waves in the lower thermosphere based on skyglow isophots. Izvestiya AN SSSR. Fizika atmosfery i okeana [Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics]. 1982, vol. 18, no. 1, pp. 5-12.
4. Gavrilov N.M., Yudin V.A. On the origin of wave variations of hydroxyl night airglow in the upper atmosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1982, vol. 22, no. 3, pp. 444-449. (In Russian).
5. Gavrilov N.M., Manson A.H., Meek C.E. Clima-tological monthly characteristics of middle at-mosphere gravity waves (10 min - 10 hr) during 1979-1993 at Saskatoon. Ann. Geophys. 1995, vol. 13, no. 1, pp. 285-295. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-995-0285-7.
6. Gavrilov N.M., Jacobi Ch., Kurschner D. Clima-tology of ionospheric drift perturbations at Collm, Germany. Adv. Space Res. 2001, vol. 27, no. 10, pp. 1779-1784. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00339-8.
7. Gavrilov N.M., Fukao S., Nakamura T., Jacobi C., Kürschner D., Manson A. H., Meek C.E. Comparative study of interannual changes of the mean winds and gravity wave activity in the middle atmosphere over Japan, Central Europe and Canada. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2002a, vol. 64, no. 8-11, pp. 1003-1010. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(02)00055-X.
8. Gavrilov N.M., Shiokawa K., Ogawa T. Season-al variations of medium-scale gravity wave pa-rameters in the lower thermosphere obtained from SATI observations at Shigaraki, Japan. J. Geophys. Res. 2002b, vol. 107, no. D24, 4755. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JD001469.
9. Gavrilov N.M., Riggin D.M., Fritts D.C. Medi-um-frequency radar studies of gravity-wave sea-sonal variations over Hawaii (22° N, 160° W). J. Geophys. Res. 2003, vol. 108, no. D20, 4655. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JD003131.
10. Gavrilyeva G.A., Ammosov P.P., Koltovskoi I.I. Semidiurnal thermal tide in the mesopause region over Yakutia. Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, no. 1, pp. 110-114. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793209010150.
11. Gossard E.E., Hooke W.H. Volny v atmosphere [Waves in the atmosphere]. Moscow, Mir Publ., 1978, 532 p. (In Russian). English edition: Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the atmos-phere. New York, Elsevier Scientific Publishing Company, 1975, 456 p.
12. Krassovski V.I. Infrasonic variations of OH emission in the upper atmosphere. Annales de Géophysique. 1972, vol. 28, pp. 739-746.
13. Krasovsky V.I., Potapov B.P., Semenov A.I., Sobolev V.G., Shagayev M.M., Shefov N.N. In-ternal gravity waves near the mesopause. 1. Re-sults of investigation of the hydroxyl emission. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Aurora and Nigthglow]. Moscow, Sovetskoe Radio Publ., 1978, no. 26, pp. 5-29. (In Rus-sian).
14. Laštovička J. A review of recent progress in trends in the upper atmosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 163, pp. 2-13. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.03.009.
15. Lopez-Gonzalez M.J., Rodriguez E., Wiens R.H., Shepherd G.G., Sargoytchev S., Brown S., Shepherd M.G., Aushev V.M., López-Moreno J.J., Rodrigo R., Cho Y.-M. Seasonal variations of O2 atmospheric and OH (6-2) airglow and temperature at midlatitudes from SATI observations. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, no. 17-18, pp. 2379-2390. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.07.004.
16. Medvedeva I.V., Beletsky A.B., Perminov V.I. Semenov A.I., Shefov N.N. Atmosphere temper-ature variations in the mesopause and lower thermosphere during stratospheric warmings from data of ground-based and satellite meas-urements in different longitudinal sectors. Sov-remennye problemy distantsionnogo zondi-rovaniya Zemli iz kosmosa [Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space]. 2011, vol. 8, no. 4, pp. 127-135. (In Russian).
17. Nakamura T., Higashikawa A., Tsuda T., Matsushita Y. Seasonal variations of gravity wave structures in OH airglow with a CCD im-ager at Shigaraki. Earth, Planets, Space. 1999, vol. 51, pp. 897-906. DOI:https://doi.org/10.1186/BF03353248.
18. Perminov V.I., Semenov A.I., Medvedeva I.V. Pertsev N.N. Temperature variations in the mes-opause region according to the hydroxyl-emission observations at midlatitudes. Geomag-netism and Aeronomy. 2014, vol. 54, no. 2, pp 230-239. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793214020157.
19. Pertsev N.N., Andreyev A.B., Merzlyakov E.G., Perminov V.I. Mesosphere-thermosphere manifestations of stratospheric warmings: joint use of satellite and ground-based measurements. Sovremennye problemy distantsionnogo zondi-rovaniya Zemli iz kosmosa [Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space]. 2013, vol. 10, no. 1, pp. 93-100. (In Russian).
20. Shefov N.N. Hydroxyl emission of the upper atmosphere - I. Planet. Space Sci. 1969, vol. 17, pp. 797-813. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(69)90089-0.
21. Shefov N.N., Semenov A.I., Khomich V.Yu. Emission of the upper atmosphere as an indicator of its structure and dynamics. Moscow, GEOS Publ., 2006, 741 p. (In Russian).
22. Somsikov V.M., Andreyev A.B., Zhumabayev B.T. Peculiarities of seasonal behavior of wave disturbances in the mesosphere according to SATI and satellite observations. Izvestiya Natsional’noi akademii nauk Respubliki Ka-zakhstan [News of NAS RK. Physico-Mathematical Series]. 2015, vol. 4, no. 302, pp. 33-39. (In Russian).
23. Swenson G.R., Mende S.B. OH emission and gravity waves (including a breaking wave) in all-sky imagery from Bear Lake, UT. Geophys. Res. Lett. 1994, vol. 21, no. 20, pp. 2239-2242.
24. Taylor M.J., Hapgood M.A. On the origin of ripple-type wave structure in the OH nightglow emission. Planet. Space Sci. 1990, vol. 38, no. 11, pp. 1421-1430. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(90)90117-9.
25. Taylor M.J., Hapgood M.A., Rothwell P. Obser-vations of gravity wave propagation in the OI (557.7 nm), Na (589.2 nm) and the near infrared OH nightglow emissions. Planet. Space Sci. 1987, vol. 35, no. 4, pp. 413-427. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(87)90098-5.
26. Vadas S.L., Taylor M.J., Pautet P.-D., Stamus P.A., Fritts D.C., Liu H.-L., S̃ao Sabbas F.T., Rampinelli V.T., Batista P., Takahashi H. Con-vection: the likely source of the medium-scale gravity waves observed in the OH airglow layer near Brasilia, Brazil, during the SpreadFEx campaign. Ann. Geophys. 2009, vol. 27, pp. 231-259. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-231-2009.
27. Wiens R.H., Moise A., Brown S., Sargoytchev S., Peterson R.N., Shepherd G.G., Lopez-Gonzalez M.J. Lopez-Moreno J.J., Rodrigo R. SATI: A spectral airglow temperature imager. Adv. Space Res. 1997, vol. 19, pp. 677-680. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00162-2.
