Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 4, стр. 472-479

1. ВВЕДЕНИЕ

Космические влияния на различные оболочки Земли интересовали людей еще в древние времена. Однако серьезное продвижение в их поисках с естественно-научной точки зрения стало возможным лишь тогда, когда появились долговременные ряды измерений. Эта тенденция не обошла стороной и исследователей области мезопаузы земной атмосферы (высоты 80–95 км). В настоящей статье обсуждаются наиболее заметные научные результаты в вопросе лунных и солнечных воздействий на характеристики области мезопаузы, полученные в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (далее ИФА) при активном участии соавторов из других организаций. Глубокий интерес к этой теме в Институте возник во многом благодаря работам Н.Н. Шефова и А.И. Семенова, получившими первые весьма интересные результаты по этой теме и продолжавшими разрабатывать ее на протяжении всей жизни [1].

Хронологически изучение космического влияния на область мезопаузы начиналось в ИФА [2], как и в мировой практике [3], с поиска лунного, а не солнечного влияния. Это было связано с довольно короткими рядами данных на первом этапе измерений характеристик области мезопаузы, которые не позволяли уверенно отслеживать изменения, связанные с самыми мощными и довольно длинными (~11 лет) циклами солнечной активности. В то же время имеющиеся временные ряды охватывали большое число лунных месяцев. В настоящей статье ставится задача не перечислить все уже выделенные во временных рядах измеряемых характеристик области мезопаузы лунные и солнечные периодические или квазипериодические гармоники, а показать наиболее интересные результаты по их исследованию с точки зрения научной перспективы. В разделе 2 настоящей статьи подробно рассматривается открытие синодического месячного лунного колебания и его второй гармоники в характеристиках области мезопаузы и его последующие подтверждения, перечисляются возможные механизмы их генерации, некоторые из них указаны впервые. В разделе 3 кратко рассматривается история включения солнечных циклов в практику эмпирических моделей характеристик области мезопаузы, делается акцент на недавно открытое разнонаправленное влияние изменений солнечной активности на характеристики области мезопаузы на разных временных масштабах.

2. ОТКРЫТИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ С ПЕРИОДАМИ ЛУННОГО СИНОДИЧЕСКОГО МЕСЯЦА И ЕГО ПОЛОВИНЫ

К середине 60-х годов в ИФА был накоплен материал многолетних измерений верхнеатмосферных компонентов свечения ночного неба, в том числе вращательной температуры и интенсивности различных полос гидроксила (излучающий слой гидроксила локализован в области мезопаузы с максимумом излучения на высоте ~ 87 км). Соответствующие ряды данных, основанные на измерениях на звенигородской базе ИФА, были проверены Н.Н. Шефовым [2] на предмет поиска лунных влияний. Исходные временные ряды осреднялись методом наложения эпох с заданной периодичностью 27 суток (близкой к лунному сидерическому месяцу и одновременно к синодическому солнечному периоду вращения) и 29.5 суток (лунный синодический месяц). Результат осреднения [2] показан на рис. 1. Обращает на себя внимание нереалистично большая амплитуда колебаний, превышающая для температуры гидроксильного слоя 20 К. По-видимому, здесь сказался эффект коротких выборок. Доверительные интервалы и оценки статистической значимости тогда еще не вошли как обязательный инструмент в практику анализа геофизических данных. Впоследствии амплитуды, вычисляемые на более длинных выборках, были существенно понижены [4].

Рис. 1.

Первые оценки лунных возмущений ОН- слоя [2]. Средние вариации интенсивностей (I) и вращательных температур (T) полос ОН (4–1), (5–2), (6–2) и (7–3). Слева: с периодом 27 сут, справа: в зависимости от фазы Луны.

Нужно отметить осторожное отношение Н.Н. Шефова в [2] к своим результатам, а также аналогичным результатам зарубежных коллег [5–7] по эмиссии атомарного кислорода 558 нм. Результаты, касающиеся лунного влияния, были сформулированы не в виде окончательного вывода, а скорее как гипотеза. Тем не менее, эти ранние результаты послужили вдохновляющим примером для дальнейших поисков лунного влияния на различные характеристики области мезопаузы. В 70-е годы лунные приливные эффекты были обнаружены в компонентах скорости ветра, измеряемой метеорным методом [8], в колебательной температуре гидроксильного излучения [9–10] и в частоте появления серебристых облаков [11].

По-видимому, основным недостатком указанных выше работ 60х–70х годов являлся интервал опроса исследуемых переменных, равный 24 ч (привязка измерений к астрономической полночи). При этом фазы Луны оказываются жестко привязанными к лунному времени, и любая N-я гармоника лунных суток (продолжающихся в среднем 24 ч 51 мин) для такой специальной выборки становится неотличимой от N-й гармоники лунного синодического месяца, продолжающегося в среднем 29.53 суток. Учитывая возможную двоякую интерпретацию полученных результатов, в [9–10] результаты в виде графиков колебаний приведены сразу на двух временных шкалах. Но, как правило, найденные результаты воспринимались как колебания с периодами, равными лунным суткам и их второй и более высоким гармоникам, поскольку именно они присутствуют в линейной модели лунных гравитационных возмущений в атмосфере [12].

Тема альтернативной интерпретации старых и новых результатов получила дальнейшее развитие у А.И. Семенова и Н.Н. Шефова в [4]. Авторы этой работы не только повторили анализ, проведенный Шефовым [2, 9] на более длительных наблюдениях, но и сравнили их с результатами, найденными ими для лунного суточного и полусуточного приливов в температуре и интенсивности гидроксильного излучения, полученными по графикам температуры и интенсивности для 15 ночей, которые были опубликованы по данным измерений на широте 32° S [13]. При анализе они обратили внимание на то, что амплитуды температуры и интенсивности в случае суперпозиции синодического месячного и лунно-суточного колебаний, а также суперпозиции синодического полумесячного и лунного полусуточного колебаний, полученные по звенигородским данным, были в несколько раз большими, чем амплитуды чисто лунно-суточных и лунно-полусуточных колебаний, определенные по данным [13].

Впервые статистически обоснованное разделение лунного полусуточного прилива и лунного синодического полумесячного колебания на одних и тех же многолетних данных по зимней температуре излучающего гидроксила (с интервалом осреднения данных 1 час), проведено в [14]. Оно подтвердило правильность гипотезы Шефова и Семенова о существовании колебаний в гидроксильной температуре с периодом половины лунного синодического месяца. Подтвердилась и субординация между амплитудами: для полумесячного колебания амплитуда была равной 2.5 ± 0.8 К (погрешность дана для вероятности 90%), для лунного полусуточного колебания она оказалась меньше и статистически не значимой.

Получить надежный результат для лунного суточного прилива по гидроксильным температурам нельзя, поскольку продолжительность ночных измерений даже в зимний сезон не превышает или лишь немного превышает полсуток. Поэтому для одновременного нахождения колебаний с периодами лунных суток и лунного синодического месяца, а также вдвое меньшими периодами, в [15] были использованы другие данные для примерно тех же высот, где располагается гидроксильный слой. Это – круглосуточные данные по полярным мезосферным летним эхо, измеренные при помощи радара ESRAD, расположенного в северной части Швеции, г. Кируна, с интервалом осреднения 1 ч. В качестве анализируемых переменных были взяты логарифм коэффициента отражения зондирующих радиоволн и компоненты скорости ветра на высоте отражения. Полученные в [15] результаты для амплитуд изучаемых колебаний в соответствующих многолетних временных рядах приведены в табл. 1. Из нее видно, что амплитуды четырех изучаемых колебаний одного порядка величины, и для логарифма коэффициента отражения амплитуда месячного и полумесячного колебания превышает амплитуду лунно-суточного и лунно-полусуточного.

Амплитуды вычислялись в [15] методом множественного регрессионного анализа. При этом принимались специальные меры против возможных интерференций со стороны основных приливных гармоник. Так, например, благодаря статистической взаимосвязи между фазами лунного синодического месяца и склонением Луны, которое отвечает за зональный прилив с периодом 13.66 сут. (см. [14]), можно предполагать выделение фиктивных колебаний с периодом половины синодического месяца, наведенное зональным приливом. Для исключения таких наводок все возможные компоненты прилива, которые могли бы их генерировать, вычислялись и выделялись одновременно.

Таким образом, и для периода 29.53 сут., и для его второй гармоники гипотеза Шефова и Семенова о существовании лунно-синодического колебания подтвердилась.

Как отмечалось выше, линейная теория лунных гравитационных приливов в атмосфере не предсказывает существование этих двух компонентов в спектре. В настоящее время можно наметить лишь возможные механизмы их генерации. Что касается лунного синодического полумесячного прилива, два механизма их генерации уже рассматривались в [14]. Это малоэффективный механизм, основанный на модуляции расстояний до Луны в синодическом полумесячном цикле и нелинейный механизм квадратичной демодуляции, основанный на перемножении двух суперпозиций колебаний с периодами солнечного полусуточного и лунного полусуточного приливов. Квадратичные составляющие уравнений гидродинамики производят демодуляцию биений между солнечным полусуточным и лунным полусуточным приливами, генерируя две новых синусоиды с суммой и разностью частот. Еще одним эффективным механизмом в генерации полумесячного синодического колебания может быть другой вариант нелинейной генерации (по-видимому, впервые здесь предлагаемый), – перемножение двух суперпозиций колебаний с периодами весьма заметного лунного зонального прилива с периодом 13.66 сут и полугодового прилива с периодом 182.625 сут.

Аналогичные механизмы можно рассматривать и для генерации месячного синодического прилива, но при удвоении всех действующих периодов. Однако для первого механизма модуляция расстояний до Луны синодическим месячным колебанием становится ничтожной, а в третьем механизме вместо весьма заметного прилива с периодом 13.66 сут. нужно рассматривать значительно более слабый (в линейной теории [12]) прилив с вдвое большим периодом, и только второй механизм – перемножение двух суперпозиций колебаний с периодами солнечного суточного и лунного суточного приливов позволяет надеяться на эффективную генерацию лунного синодического месячного прилива. Несмотря на то, что в линейной теории лунный суточный прилив с периодом 24 ч 51 мин значительно слабее лунного полусуточного, анализ данных по полярным мезосферным летним эхо [15] показывает их наблюдаемые амплитуды одного порядка, что, с одной стороны, требует самостоятельного изучения, а, с другой стороны, вероятно, может обеспечить нелинейную генерацию лунного синодического колебания с периодом 29.53 сут.

3. ПРОЯВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА РАЗЛИЧНЫХ ВРЕМЕННЫХ МАСШТАБАХ

На протяжении ХХ века произошла трансформация понимания влияния солнечной активности на область мезопаузы от первых предположений о существовании такого влияния до его количественного учета в моделях. В 1904 г. Брохом найдена 11-летняя цикличность в свойствах метеорных следов [16]. В середине столетия появились первые указания на изменения характеристик инфракрасных эмиссий области мезопаузы в цикле солнечной активности [17]. Затем получены 10–11-летние пики в спектре количества ночей с появлениями мезосферных облаков [18]. Количественный учет ~11-летних циклов солнечной активности в моделях характеристик эмиссий излучения области мезопаузы начался с [19]. В результате целенаправленной работы Н.Н. Шефова и А.И. Семенова по созданию моделей основных эмиссий области мезопаузы, к началу ХХI века такие эмпирические модели были созданы [1], и они учитывали изменение солнечной активности в ~11-летнем цикле с помощью индекса радиоизлучения Солнца F_10.7, усредненного за несколько месяцев. Впоследствии при изучении влияния солнечной активности на мезосферные облака [20], а затем и на инфракрасные эмиссии области мезопаузы, вместо этого индекса стало более логично использовать поток солнечного излучения в линии Лайман-альфа 122 нм [21], как непосредственно влияющий через фотохимические реакции на изучаемую среду.

В дальнейшем оказалось, что не только межгодовые, но и межсуточные изменения потока Лайман-альфа влияют на характеристики области мезопаузы. Это было продемонстрировано как на модели [22], так и с помощью анализа данных измерений [23]. При изучении межсуточных проявлений солнечной активности корреляционными и регрессионными методами возникает необходимость предварительного отфильтровывания более мощного сигнала медленной составляющей временных рядов (например, через осреднение данных скользящим 35-суточным временным окном [24]). В спектре межсуточных колебаний индексов солнечной активности, а также характеристик области мезопаузы, выделяется в качестве наиболее мощного ~27-суточное колебание, связанное с периодом вращения Солнца [24, 25].

Для понимания механизмов воздействия солнечной активности на область мезопаузы важно выяснить, различаются ли они на межгодовом и внутрисезонном временных масштабах. Соответствующая проверка была проведена на основе 22-летних временных рядов интенсивностей инфракрасных эмиссий молекулярного кислорода (полоса О₂А(0–1)) и гидроксила (полоса ОН(6–2)), вращательной температуры ОН и переменных, характеризующих активность мезосферных облаков - число появлений, яркость [24, 26, 27]. Оказалось, что отклик некоторых из этих величин на изменение потока Лайман-альфа на внутрисезонном и межгодовом масштабах может иметь даже разные знаки. Так, интенсивность гидроксильной полосы в зимнее время имеет положительный отклик на межгодовое изменение потока Лайман-альфа (рис. 2). Если же из временных рядов исключить медленные изменения обеих сопоставляемых величин и сохранить лишь их внутрисезонные вариации, то наблюдается отрицательный отклик на внутрисезонное изменение потока Лайман-альфа (рис. 3). Обе зависимости статистически значимы с вероятностью не менее 95%.

Рис. 2.

Сравнение интенсивности ОН(6–2) и потока солнечного излучения в линии Лайман-альфа (F_Ly-α). Значения взяты как средние по интервалам с 1 октября по 31 марта 2000–2021 гг. после сглаживания с помощью суперпозиции четырех годовых гармоник (т.е. более высокие гармоники исключаются). Прямая линия – линейная регрессия (с коэффициентом 106 ± ± 102 Рл/(10¹¹ фотон см^–2 с^–1)). В качестве меры интенсивности потока Лайман-альфа используется его измеренное значение в единицах 10¹¹ фотон см^–2 с^–1, приведенное к расстоянию 1 а.е. от Солнца. Интенсивность гидроксильной эмиссии измеряется в рэлеях (Рл), 1 Рл = 10⁶ фотон см^–2 с^–1. Штриховые линии – границы 95% вероятностного уровня.

Рис. 3.

Сравнение отклонений ΔI_OH(6-2) интенсивности полосы ОН(6–2) и солнечного потока в линии Лайман-альфа от их сглаженных значений для временных интервалов с 1 октября по 31 марта 2000–2021 гг. Прямая линия – линейная регрессия (с коэффициентом −121 ± 106 Рл/(10¹¹ фотон см^–2 с^–1)). Пояснения к единицам измерения даны в подписи к рис. 2. Штриховые линии – границы 95% вероятностного уровня.

Необходимо отметить, что для разрывных рядов наблюдений (разрывы вызваны отсутствием благоприятных погодных условий при измерениях свечения ночного неба) разделение рядов на быструю и медленную составляющие неоднозначно. Показанный на рис. 3 результат соответствует исключению сглаженных значений, рассчитанных с помощью суперпозиции нулевой и первых четырех годовых гармоник для каждого зимнего сезона. Похожая регрессионная зависимость получается при исключении медленной составляющей, рассчитанной с помощью сглаживания первичного ряда 34-суточным временным окном после интерполяционного заполнения пропусков в данных. Полученный результат свидетельствует о том, что на медленном межгодовом и быстром (с характерными периодами менее 35 суток) временных масштабах воздействие солнечной активности на среднюю атмосферу осуществляется различными механизмами. Так, в ходе 11-летнего солнечного цикла основным механизмом является прямое воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца на структуру газового состава области мезопаузы. Вследствие усиления диссоциации молекулярного кислорода с ростом УФ-излучения происходит увеличение содержания атомарного кислорода, продуктом рекомбинации которого является излучение гидроксила [1]. Таким образом, в результате ряда фотохимических процессов возникает прямая зависимость между солнечным УФ-излучением и интенсивностью излучения гидроксила. В случае 27-суточных вариаций наиболее вероятным механизмом являются динамические изменения в области мезосферы и нижней термосферы [28].

4. ВЫВОДЫ

1. Проверена гипотеза Шефова и Семенова о существовании колебаний в области мезопаузы с периодами синодического лунного месяца и его половины на временных рядах различных характеристик области мезопаузы. Ее справедливость подтвердилась.

2. Рассмотрены возможные механизмы генерации этих колебаний, некоторые из них обсуждаются впервые.

3. С помощью анализа данных для зимнего времени показано, что некоторые измеряемые характеристики области мезопаузы дают статистически значимый отклик разного знака на изменение солнечной активности на внутрисезонном и межгодовом масштабах. Это свидетельствует о различии физических механизмов, осуществляющих воздействие солнечной активности на область мезопаузы на этих двух масштабах.