ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДНЕЙ И ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ ВНЕЗАПНОГО СТРАТОСФЕРНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ В ЯНВАРЕ 2013 Г.
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Представлены результаты комплексных наблюдений различных параметров средней и верхней атмосферы над территорией Сибири в декабре 2012 – январе 2013 г., в период сильного внезапного стратосферного потепления (ВСП). Нами проанализированы вариации концентрации озона по данным микроволновых измерений, температуры на высотах стратосферы и нижней мезосферы по лидарным и спутниковым измерениям, критической частоты F2-слоя ионосферы (foF2), полного электронного содержания (ПЭС), отношения концентраций атомарного кислорода к молекулярному азоту (O/N2) в термосфере. Для интерпретации возмущений в верхней атмосфере было выполнено сравнение экспериментальных измерений с результатами модельных расчетов, полученных с использованием Глобальной Самосогласованной модели термосферы, Ионосферы, протоносферы (ГСМ ТИП). Показано, что к отклику верхней атмосферы на ВСП можно отнести понижение foF2 и ПЭС в период развития потепления и продолжительное увеличение O/N2, foF2 и ПЭС после максимума ВСП. Впервые отмечена связь увеличения стратосферного озона, термосферного O/N2 и ионосферной электронной концентрации на средних широтах в течение до-вольно длительного периода времени (до 20 дней) после максимума ВСП.

Ключевые слова:
внезапные стратосферные потепления, озон, стратосфера, ионосфера, электронная концентрация, полное электронное содержание, атмосферно-ионосферные связи
Список литературы

1. Клименко М.В., Бессараб Ф.С., Суходолов Т.В. и др. Ионосферные эффекты внезапного стратосферного потепления 2009 г. Результаты расчетов, полученные с использованием первой версии модели EAGLE // Химическая физика. 2018. Т. 37, № 7. С. 70–80. DOI: 10.1134/S0207401X18070105.

2. Куликов Ю.Ю., Красильников А.А., Рыскин В.Г. Результаты микроволновых исследований структуры озонового слоя полярных широт во время зимних аномальных потеплений стратосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38, № 2. С. 182–191.

3. Маричев В.Н., Матвиенко Г.Г., Лисенко А.А. и др. Микроволновые и оптические наблюдения озона и температуры средней атмосферы во время стратосферного потепления в Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27, № 01. С. 46–52.

4. Матвиенко Г.Г., Банах В.А., Бобровников С.М. и др. Развитие технологий лазерного зондирования атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22, № 10. С. 915–930.

5. Погорельцев А.И., Савенкова Е.Н., Перцев Н.Н. Внезапные стратосферные потепления: роль нормальных атмосферных мод // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 3. С. 387–403. DOI: 10.7868/S0016794014020163.

6. Смышляев С.П., Погорельцев А.И., Галин В.Я., Дробашевская Е.А. Влияние волновой активности на газовый состав стратосферы полярных районов // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56, № 1. С. 102–116. DOI: 10.7868/S001679 4015060152.

7. Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б. и др. Влияние сильных внезапных стратосферных потеплений на озон в средней стратосфере по наблюдениям на миллиметровых волнах // Геомагнетизм и аэрономия. 2017. Т. 57, № 3. С. 392–400. DOI: 10.7868/s0016794017020146.

8. Ясюкевич А.С., Черниговская М.А., Мыльникова А.А. и др. Исследование сезонных вариаций ионосферной возмущенности по данным GPS/ГЛОНАСС над регионами Восточной Сибири и Дальнего Востока // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 4. С. 226–239. DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-4-249-262.

9. Baldwin M.P., Dameris M., Shepherd T.G. How will the stratosphere affect climate change? // Science. 2007. V. 316. P. 1576–1577. DOI: 10.1126/science.1144303.

10. Bessarab F.S., Korenkov Yu.N., Klimenko M.V., et al. Modeling the effect of sudden stratospheric warming within the thermosphere–ionosphere system // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2012. V. 90–91. P. 77–85. DOI: 10.1016/j.jastp.2012.09.005.

11. Charlton A.J., Polvani L.M. A new look at stratospheric sudden warmings. Part I: climatology and modeling benchmarks // J. Climate. 2007. V. 20. P. 449–469. DOI: 10.1175/JCLI3996.1.

12. Chau J.L., Fejer B.G., Goncharenko L.P. Quiet variability of equatorial E×B drifts during a sudden stratospheric warming event // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. L05101. DOI: 10.1029/2008GL036785.

13. Chau J.L., Aponte N.A., Cabassa E., et al. Quiet time ionospheric variability over Arecibo during sudden stratospheric warming events // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G06. DOI: 10.1029/2010JA015378.

14. Chau J.L., Goncharenko L.P., Fejer B.G., Liu H.L. Equatorial and low latitude ionospheric effects during sudden stratospheric warming events // Space Sci. Rev. 2012. V. 168. P. 385–417. DOI: 10.1007/s11214-011-9797-5.

15. Christensen A.B., Paxton L.J., Avery S., et al. Initial observations with the Global Ultraviolet Imager (GUVI) in the NASA TIMED satellite mission // J. Geophys. Res. 2003. V. 108 (A12). 1451. DOI: 10.1029/2003JA009918.

16. Dee D.P., Uppala S.M., Simmons A.J., et al. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2011. V. 137. P. 553–597. DOI: 10.1002/qj.828.

17. Dow J.M., Neilan R.E., Rizos C. The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems // J. Geod. 2009. V. 83. P. 191–198. DOI: 10.1007/s00 190-008-0300-3.

18. Fuller-Rowell T., Wu F., Akmaev R., et al. A whole atmosphere model simulation of the impact of a sudden stratospheric warming on thermosphere dynamics and electrodynamics // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G08. DOI: 10.1029/20 10JA015524.

19. Goncharenko L., Zhang S.-R. Ionospheric signatures of sudden stratospheric warming: Ion temperature at middle latitude // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. L21103. DOI: 10.1029/ 2008GL035684.

20. Goncharenko L.P., Chau J.L., Liu H.L., Coster A.J. Unexpected connections between the stratosphere and ionosphere // Geophys. Res. Lett. 2010a. V. 37. L10101. DOI: 10.1029/ 2010GL043125.

21. Goncharenko L.P., Coster A.J., Chau J.L., Valladares C.E. Impact of sudden stratospheric warmings on equatorial ionization anomaly // J. Geophys. Res. 2010b. V. 115 (A10). DOI: 10.1029/ 2010JA015400.

22. Goncharenko L.P., Coster A.J., Plumb R.A., Domeisen D.I.V. The potential role of stratospheric ozone in the stratosphere‐ionosphere coupling during stratospheric warmings // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. L08101. DOI: 10.1029/20 12GL051261.

23. Goncharenko L.P., Chau J.L., Condor P., et al. Ionospheric effects of sudden stratospheric warming during moderate-to-high solar activity: Case study of January 2013 // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 1–5. DOI: 10.1002/grl.50980.

24. Hocke K., Lainer M., Schanz A. Composite analysis of a major sudden stratospheric warming // AnGeo Comm. 2015. V. 33. P. 783–788. DOI: 10.5194/angeocom-33-783-2015.

25. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Koren’kov Y.N., et al. Modeling of response of the thermosphere-ionosphere system to sudden stratospheric warmings of years 2008 and 2009 // Cosmic Research. 2013. V. 51, N 1. P. 54–63. DOI: 10.1134/ S001095251301005X.

26. Klimenko M.V., Klimenko. V.V., Bessarab F S., et al. Study of the thermospheric and ionospheric response to the 2009 sudden stratospheric warming using TIME-GCM and GSM TIP models: First results // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. DOI: 10.1002/2014JA020861.

27. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Zakharenkova I.E., et al. Similarity and differences in morphology and mechanisms of the foF2 and TEC disturbances during the geomagnetic storms on 26–30 September 2011 // Ann. Geophys. 2017. V. 35. P. 923–938. DOI: 10.5194/angeo-35-923-2017.

28. Klimenko M.V., Klimenko V.V., Despirak I.V., et al. Disturbances of the thermosphere-ionosphere-plasmasphere system and auroral electrojet at 30° E longitude during the St. Patrick’s Day geomagnetic storm on 17–23 March 2015 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018. DOI: 10.1016/j.jastp.2017.12.017.

29. Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Forster M., et al. Calculated and observed ionospheric parameters for Magion-2 passage above EISCAT on July 31 1990 // J. Geophys. Res. 1998. V. 103 (A7). P. 14697–14710. DOI: 10.1029/98JA00210.

30. Korenkov Y.N., Klimenko V.V., Klimenko M.V., et al. The global thermospheric and ionospheric response to the 2008 minor sudden stratospheric warming event // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A10309. DOI: 10.1029/2012JA018018.

31. Kulikov Y.Y., Krasilnikov A.A., Ryskin V.G., et al. Ground-based microwave instrument for stratospheric ozone measurements: New design and some results of observations // 30th Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena” Proceedings. 2007. P. 218–221.

32. Labitzke K. Temperature changes in the mesosphere and stratosphere connected with circulation changes in winter // J. of Atmospheric Sci. 1972. V. 29. P. 756–766. DOI: 10.1175/1520-0469(1972)029<0756:TCITMA>2.0.CO;2.

33. Labitzke K. Stratospheric-mesospheric midwinter disturbances: a summary of observed characteristics // J. Geophys. Res. 1981. V. 86 (C10). P. 9665–9678. DOI: 10.1029/JC086 iC10p09665.

34. Laskar F.I., Pallamraju D. Does sudden stratospheric warming induce meridional circulation in the mesosphere thermosphere system? // J. Geophys. Res. Space Phys. 2014. V. 119. P. 10,133–10,143. DOI: 10.1002/2014JA020086.

35. Liu H.-L., Roble R.G. A study of a self-generated stratospheric sudden warming and its mesospheric–lower thermospheric impacts using the coupled TIME-GCM/CCM3 // J. Geophys. Res. 2002. V. 107 (D23). 4695. DOI: 10.1029/20 01JD001533.

36. Lukianova R., Kozlovsky A., Shalimov S., et al. Thermal and dynamical perturbations in the winter polar mesosphere-lower thermosphere region associated with sudden stratospheric warmings under conditions of low solar activity // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. DOI: 10.1002/2015JA021269.

37. Manney G.L., Lawrence Z.D., Santee M.L., et al. Polar processing in a split vortex: Arctic ozone loss in early winter 2012/2013 // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 5381–5403. DOI: 10.5194/acp-15-5381-2015.

38. Matsuno T. A dynamical model of the Stratospheric Sudden Warming // J. Atm. Sci. 1971. V. 28. P. 1479–1494.

39. Matvienko G.G., Kulikov Y.Y., Marichev V.N., et al. Study of the influence of the stratospheric warming in January 2013 on the vertical structure of ozone and temperature in the middle atmosphere over Tomsk using microwave and lidar diagnostics // ILRC 27 EPJ Web of Conferences. 2016. V. 119. 24002. DOI: 10.1051/epjconf/2016119224002.

40. Medvedeva I., Medvedev A., Ratovsky K., et al. Comprehensive study of disturbances of the neutral atmosphere and ionosphere parameters over Eastern Siberia during the 2013 January major sudden stratospheric warming // Adv. Space Res. 2015. V. 56. P. 1877–1885. DOI: 10.1016/j.asr.2015.06.008.

41. Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., et al. Global model of the thermosphere-ionosphere-protonosphere system // Pure and Applied Geophys. 1988. V. 127, N 2/3. P. 219–254. DOI: 10.1007/BF00879812.

42. Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere — ionosphere coupling paradigm // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. P. 1697–1702. DOI: 10.1016/j.jastp. 2011.03.006.

43. Pedatella N.M., Liu H.-L., Sassi F., et al. Ionosphere variability during the 2009 SSW: Influence of the lunar semidiurnal tide and mechanisms producing electron density variability // J. Geophys. Res. Space Phys. 2014. V. 119. P. 3828–3843. DOI: 10.1002/2014JA019849.

44. Polyakova A.S., Chernigovskaya M.A., Perevalova N.P. Ionospheric effects of sudden stratospheric warmings in eastern Siberia region // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2014. V. 120. P. 15–23. DOI: 10.1016/j.jastp.2014.08.011.

45. Schoeberl M.R. Stratospheric warmings: observations and theory // Rev. Geophys. Space Phys. 1978. V. 16 (4). P. 521–538.

46. Scheiben D., Straub C., Hocke K., et al. Observations of middle atmospheric H2O and O3 during the 2010 major sudden stratospheric warming by a network of microwave radiometers // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12. P. 7753–7765. DOI: 10.5194/acp-12-7753-2012.

47. Shepherd M.G., Shepherd G.G. Stratospheric warming effects on thermospheric O(1S) dayglow dynamics // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. A11327. DOI: 10.1029/2011JA016762.

48. Shepherd M.G., Cho Y.‐M., Shepherd G.G., et al. Mesospheric temperature and atomic oxygen response during the January 2009 major stratospheric warming // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A07318. DOI: 10.1029/2009JA015172.

49. Shpynev B.G., Churilov S.M., Chernigovskaya M.A. Generation of waves by jet-stream instabilities in winter polar stratosphere/mesosphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2015a. V. 136, Part B. P. 201–215. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.07.005.

50. Shpynev B.G., Kurkin V.I., Ratovsky K.G., et al. High-midlatitude ionosphere response to majorstratospheric warming // Earth Planets and Space. 2015b. V. 67:18. DOI: 10.1186/s40623-015-0187-1.

51. Strickland D.J., Meier R.R., Walterscheid R.L., et al. Quiet-time seasonal behavior of the thermosphere seen in the far ultraviolet dayglow // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. A01302. DOI: 10.1029/2003JA010220.

52. Sun L., Robinson W.A. Downward influence of stratospheric final warming events in an idealized model // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. L03819. DOI: 10.1029/2008GL036624.

53. Tao M., Konopka P., Ploeger F., et al. Impact of the 2009 major sudden stratospheric warming on the composition of the stratosphere // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 8695–8715. DOI: 10.5194/acp-15-8695-2015.

54. Yasyukevich A.S. Variations in ionospheric peak electron density during sudden stratospheric warmings in the Arctic region // J. Geophys. Res. Space Phys. 2018. V. 123, DOI: 10.1002/2017JA024739.

55. Yasyukevich Yu.V., Mylnikova A.A., Polyakova A.S. Estimating the total electron content absolute value from the GPS/GLONASS data // Res. Phys. 2015. V. 5. P. 32–33. DOI: 10.1016/j.rinp.2014.12.006.

56. Yue X., Schreiner W.S., Lei J., et al. Global ionospheric response observed by COSMIC satellites during the January 2009 stratospheric sudden warming event // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A00G09. DOI: 10.1029/2010JA015466.

57. URL: http://www.esrl.noaa.gov (дата обращения 2 июля 2018 г.).

58. URL: https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA (дата обращения 2 июля 2018 г.).

59. URL: https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets (дата обращения 2 июля 2018 г.).

60. URL: http://ckp-angara.iszf.irk.ru (дата обращения 2 июля 2018 г.).