Санкт-Петербург, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Алма-Ата, Казахстан
Санкт-Петербург, Россия
Метод цифровых разностных фильтров используется при анализе данных наблюдений интенсивности ночного свечения и вращательной температуры гидроксила ОН на высотах 85–90 км прибором SATI в Алма-Ате (43°03' N, 76°58' E), Казахстан, в 2010–2017 гг. Исследованы сезонные и межгодовые изменения среднемесячных значений и дисперсий вариаций с периодами 0.4–5.4 ч, которые могут быть связаны с внутренними гравитационными волнами в области мезопаузы. Усредненный за 2010–2017 гг. годовой ход среднемесячной температуры вблизи мезопаузы имеет максимум зимой и минимум летом. В отличие от среднемесячных температур, среднемесячные интенсивности свечения ОН кроме зимнего максимума имеют дополнительный максимум летом (в июне). Дисперсия мезомасштабных вариаций вращательной температуры и характеристики внутренних гравитационных волн максимальны весной и осенью. Для мезомасштабных вариаций интенсивности свечения ОН весенний максимум сдвинут на июнь. Детали межгодовых изменений интенсивности свечения и вращательной температуры ОН могут различаться. Это может быть связано с сезонными и долговременными изменениями в сложной системе фотохимических процессов, приводящих к ночному свечению ОН.
тренды, мезомасштабная изменчивость, внутренние гравитационные волны
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. Гаврилов Н.М., Швед Г.М. Исследование внутренних гравитационных волн в нижней термосфере по изофотам свечения ночного неба // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18, № 1. С. 8-17.
2. Гаврилов Н.М., Юдин В.А. О природе волно-вых вариа-ций ночного свечения гидроксила в верхней атмосфере // Геомагнетизм и аэро-номия. 1982. Т. 22, № 3. С. 444-449.
3. Гаврильева Г.А., Аммосов П.П., Колтовской И.И. Полусуточный термический прилив в области мезопаузы над Якутией // Геомагне-тизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 1. С. 117-122. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793209010150.
4. Госсард Э.Э., Хук У.Х. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978. 532 с.
5. Красовский В.И., Потапов Б.П., Семенов А.И. и др. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы. 1. Результаты ис-следований гидроксильной эмиссии // По-лярные сияния и свечение ночного неба / Под ред. Ю.И. Гальперина. М.: Сов. Радио, 1978. № 26. С. 5-29.
6. Медведева И.В., Белецкий А.Б., Перминов В.И. и др. Вариации температуры атмосферы на высотах мезопаузы и нижней термосферы в периодах стратосферных потеплений по данным наземных и спутниковых измерений в различных долготных секторах // Современ-ные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 127-135.
7. Перминов В.И., Семенов А.И., Медведева И.В. и др. Изменчивость температуры в обла-сти мезопаузы по наблюдениям гидроксильного излучения на средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 2. С. 246-256. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793214020157.
8. Перцев Н.Н., Андреев А.Б., Мерзляков Е.Г. и др. Мезосферно-термосферные проявления стратосферных потеплений: совместное использование спутниковых и наземных измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из кос-моса. 2013. Т. 10, № 1. С. 93-100.
9. Сомсиков В.М., Андреев А.Б., Жумабаев Б.Т. Особенности сезонного поведения волновых возмущений мезосферы по данным SATI и по спутниковым наблюдениям // Изв. Нац. акад. наук Респ. Казахстан. Сер. физико-математическая. 2015. Т. 4, № 302. С. 33-39.
10. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Из-лучение верхней атмосферы - индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 741 с.
11. 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. V. 54. P. 2518-2524. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.06.007.
12. Aushev V.M., Pogoreltsev A.I., Vodyannikov V.V., et al. Results of the airglow and tempera-ture observations by MORTI at the Almaty site (43.05 N, 76.97 E) // Physics and Chemistry of the Earth. (Part B). 2000. V. 25, N 5-6. P. 409-415. DOI:https://doi.org/10.1016/S1464-1909(00)00035-6.
13. Gavrilov N.M., Manson A.H., Meek C.E. Climatological monthly characteristics of middle atmosphere gravity waves (10 min - 10 hr) during 1979-1993 at Saskatoon // Ann. Ge-ophys. 1995. V. 13, N 1. P. 285-295. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-995-0285-7.
14. Gavrilov N.M., Jacobi Ch., Kurschner D. Clima-tology of ionospheric drift perturbations at Collm, Germany // Adv. Space Res. 2001. V. 27, N 10. P. 1779-1784. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00339-8.
15. Gavrilov N.M., Fukao S., Nakamura T., et al. 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. V. 64, N 8-11. P. 1003-1010. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(02)00055-X.
16. Gavrilov N.M., Shiokawa K., Ogawa T. Season-al variations of medium-scale gravity wave parameters in the lower thermosphere obtained from SATI observations at Shigaraki, Japan // J. Geophys. Res. 2002b. V. 107, N D24. 4755. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JD001469.
17. 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. V. 108, N D20. 4655. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JD003131.
18. Krassovski V.I. Infrasonic variations of OH emission in the upper atmosphere // Annales de Géophysique. 1972. V. 28. P. 739-746.
19. Laštovička J. A review of recent progress in trends in the upper atmosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2017. V. 163. P. 2-13. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.03.009.
20. Lopez-Gonzalez M.J., Rodriguez E., Wiens R.H., et al. Seasonal variations of O2 atmospheric and OH (6-2) airglow and temperature at midlatitudes from SATI observations // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69, N 17-18. P. 2379-2390. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.07.004.
21. Nakamura T., Higashikawa A., Tsuda T., et al. Seasonal variations of gravity wave structures in OH airglow with a CCD imager at Shigaraki // Earth, Planets and Space. 1999. V. 51. P. 897-906. DOI:https://doi.org/10.1186/BF03353248.
22. Shefov N.N. Hydroxyl emission of the upper atmosphere - I // Planet. Space Sci. 1969. V. 17. P. 797-813. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(69)90089-0.
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. V. 21, N 20. P. 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. V. 38, N 11. P. 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. V. 35, N 4. P. 413-427. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(87)90098-5.
26. Vadas S.L., Taylor M.J., Pautet P.-D., et al. Convection: 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. V. 27. P. 231-259. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-231-2009.
27. Wiens R.H., Moise A., Brown S., et al. SATI: A spectral airglow temperature imager // Adv. Space Res. 1997. V. 19. P. 677-680. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00162-2.
