Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 6, стр. 786-790

1. ВВЕДЕНИЕ

Зеленая эмиссия атомарного кислорода 557.7 нм является одной из интенсивных эмиссий свечения ночного неба. Основным механизмом возбуждения ночной эмиссии 557.7 нм в нижней термосфере на высоте ~100 км является процесс тройных столкновений атомов кислорода, предложенный С. Чепменом [Чемберлен, 1963; Фишкова, 1983].

Результаты исследований эмиссии 557.7 нм, проводившихся в течение десятков лет, относятся в основном к наблюдениям на средних широтах [Фишкова, 1983; Фишкова и др., 2001]. В ранних работах показано, что интенсивность зеленой линии в течение ночи может изменяться в 1.5–2 раза. Разброс средних за ночь интенсивностей в течение года может превышать 30–50%. Объясняется это тем, что на эмиссию ночного неба 557.7 нм влияют возмущения в средней и верхней атмосфере [Фишкова, 1983; Красовский и др., 1986; Шефов и др., 2006]. Изменчивость средних за ночь и среднемесячных значений интенсивности ночной эмиссии 557.7 нм по данным наблюдений в регионе Восточной Сибири (52° N, 103° E) за период 1997–2010 гг. рассмотрена в работе [Михалев, 2011].

В нашей работе впервые проведено исследование вариаций интенсивности зеленой эмиссии на относительно высокой географической широте 63° N в течение 23-го цикла солнечной активности в 1997–2008 гг.

2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

В работе использованы данные наблюдений на ст. Маймага (63° N, 130° E; геомагнитная широта 57° N). Регистрация свечения осуществлялась с помощью цифрового сканирующего вдоль меридиана фотометра с двумя каналами параллельной регистрации эмиссий 630.0 и 557.7 нм [OI]. В фотометре установлены полосовые интерференционные светофильтры с полушириной ~2 нм. Фоновое излучение контролировалось интерференционными фильтрами на длине волны 620.0 и 575.0 нм с полушириной ~2 нм. Входной объектив фотометра диаметром 100 мм с полем обзора 3° обеспечивает достаточную чувствительность для измерений слабых эмиссий в ночном небе и субавроральном свечении. Сканирование от южного горизонта до северного занимает 23 с. Интервал между сканированиями от 1 до 5 мин. Наблюдения проводились в безлунные ночи зимних и весенних месяцев в условиях хорошей прозрачности атмосферы. На географической широте 63° N с конца апреля по сентябрь ночи становятся белыми. Абсолютная энергетическая градуировка фотометра проводилась методом опорного приемника [Иевенко, 1995]. Чувствительность фотометра в начале каждой ночи наблюдений проверялась по стабильному источнику света. По сканограммам определялась интенсивность зеленой линии атомарного кислорода и континуума путем усреднения нескольких отсчетов в окрестности зенита станции наблюдений. Далее, для определения интенсивности зеленой линии, выполнялось вычитание континуума.

Анализ многолетней вариации интенсивности зеленой линии в свечении ночного неба ограничивается данными наблюдений в дни с низким уровнем геомагнитной активности (Кр ≤ 2₀ и Dst ≥ ≥ –20 нТл), что связано с относительно высокой геомагнитной широтой станции наблюдения 57° N. На геомагнитных широтах 55°–57° N наиболее часто наблюдаются среднеширотные красные и (SAR-дуги), а также усиливаются высыпания энергичных частиц во время суббурь и слабых магнитных бурь [Иевенко и Алексеев, 2004; Ievenko et al., 2008]. Всего за период наблюдений (1997–2008 гг.) для проведения анализа по исследованию поведения вариаций интенсивности зеленой эмиссии в свечении ночного неба было отобрано 148 ночей.

3. СВЯЗЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭМИССИИ 557.7 нм С УРОВНЕМ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

В таблице 1 приведены число ночей наблюдений и соответствующие средние интенсивности эмиссии 557.7 нм для пяти месяцев в 1997–2008 гг. Изменение среднегодовой интенсивности от 240–306 Рэлей в максимуме (2000–2002 гг.) до 101–164 Рэлея в минимумах (1997 и 2006–2008 гг.) 23-го цикла солнечной активности согласуется с наблюдениями вариаций интенсивности зеленой линии на средних широтах в четырех циклах солнечной активности [Фишкова, 1983; Гивишвили и др., 1996]. По таблице видно, что многолетние ряды данных наиболее заполнены по годам для февраля и марта. На рисунке 1а, б сопоставлены многолетние вариации средней интенсивности эмиссии 557.7 нм для этих месяцев с изменением солнечной активности по F10.7 в течение 23-го цикла. Рисунок показывает рост интенсивности зеленой линии в максимуме и уменьшение на фазе спада солнечной активности. Амплитуда вариации интенсивности зеленой линии в марте значительно превышает две стандартные ошибки среднего и, соответственно, связь интенсивности эмиссии 557.7 нм с солнечной активностью статистически более выражена, чем в феврале. Коэффициенты корреляции, приведенные на рис. 1, равны 0.88 с доверительной вероятностью 0.999 и 0.826 с доверительной вероятностью 0.994 для февраля и марта, соответственно. Они также указывают на статистически значимую зависимость интенсивности эмиссии 557.7 нм от солнечной активности. Наибольшая интенсивность зеленой линии совпадает с максимумом солнечной активности. Видно значительное уменьшение интенсивности эмиссии на спаде солнечной активности в 2003–2006 гг. Увеличение интенсивности эмиссии 557.7 нм при низкой солнечной активности в 2008 г. может быть связано с усилением влияния на ее возбуждение динамических процессов в средней атмосфере.

Рис. 1.

Вариации средней интенсивности эмиссии 557.7 нм для февраля (а) и марта (б) в 1997–2008 гг. На графиках указаны стандартные ошибки среднего и приведены коэффициенты корреляции R и доверительные вероятности P. в – изменение среднемесячного индекса F10.7 для февраля и марта в 23-м цикле солнечной активности.

Согласно известным механизмам возбуждения эмиссии 557.7 нм в ночном небе ее интенсивность должна быть пропорциональна концентрации атомов кислорода в нижней термосфере [Фишкова, 1983]. Мы выполнили анализ изменения концентрации атомарного кислорода на высотах 95–105 км в 23-м цикле солнечной активности по эмпирической модели MSIS-90 для интервалов времени фотометрических наблюдений на широте Якутска. На рисунке 2а, б приведены корреляционные зависимости средних значений интенсивности зеленой эмиссии от средних значений концентрации атомарного кислорода в феврале и марте 1997–2008 гг. С ростом концентрации атомарного кислорода увеличивается интенсивность эмиссии 557.7 нм. Статистически значимая корреляция получена для марта месяца с коэффициентом корреляции R = 0.82 и доверительной вероятностью P = 0.99. Следовательно, увеличение интенсивности эмиссии 557.7 нм в период максимума 23-го цикла солнечной активности (2001–2002 гг.) обусловлено ростом концентрации атомарного кислорода на высоте излучения зеленой линии согласно эмпирической модели MSIS-90.

Рис. 2.

Корреляционная зависимость интенсивности эмиссии 557.7 нм от концентрации атомарного кислорода для февраля (а) и марта (б). Приведены коэффициенты корреляции R и доверительные вероятности P.

4. МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВАРИАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭМИССИИ 557.7 нм

Известно, что интенсивность зеленой линии в течение ночи может изменяться в 1.5–2 раза. Наши наблюдения также показали большое разнообразие вариаций интенсивности ночной эмиссии 557.7 нм. На рисунке 3 показаны примеры вариаций интенсивности зеленой линии атомарного кислорода и континуума в области 575.0 нм. Во время наблюдений 07.02.2008 г. (рис. 3а) ночная вариация имеет два максимума, интенсивность изменяется от ~120 до 200 Рэлей. В следующую ночь (рис. 3б), динамика зеленой линии менее активна. В первую половину ночи происходит плавный подъем интенсивности со ~150 до 330 Рэлей, во второй половине происходит симметричное падение. На третьем примере (рис. 3в) видно, что с начала наблюдений (08 UT) регистрируется относительно стабильное свечение в эмиссии 557.7 нм, которое прерывается 4-часовой вариацией в интервале 14–18 UT с одним максимумом ~370 Рэлей. Далее, интенсивность снова стабилизируется на уровне ~200 Рэлей до конца наблюдений. Из рассмотренных выше примеров видно, что ночной ход интенсивности зеленой линии нерегулярен. Большая изменчивость интенсивности эмиссии 557.7 нм в течение ночи является результатом воздействия возмущений в средней и нижней атмосфере [Фишкова, 1983; Красовский и др., 1986].

Рис. 3.

Примеры вариаций интенсивности эмиссии 557.7. и континуума на длине волны 575.0 нм в течение ночи 07.02.2008 г. (а); б и в – то же самое для 08.02 и 21.12.2008 г. соответственно.

Многолетние изменения коэффициента вариации (изменчивости) зеленой линии могут быть индикатором степени возмущенности нижней нейтральной атмосферы, которая, в свою очередь, обусловлена метеорологическими явлениями. Коэффициент вариации в работе определялся как отношение стандартного отклонения к среднему значению интенсивности эмиссии для отдельных ночей. Следует отметить, этот параметр свечения ночного неба не зависит от возможных изменений чувствительности фотометра при проведении наблюдений в течение многих лет. Расчеты среднего значения интенсивности зеленой линии и ее стандартного отклонения выполнялись по всем измерениям в течение ночи со скважностью 1–5 мин. Затем вычислялось среднее значение этого коэффициента для каждого месяца по числу ночей наблюдений. Рисунок 4 показывает изменение коэффициента вариации для февраля и марта в 23-м цикле солнечной активности. На графиках можно видеть, что коэффициент вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм не имеет тесной связи с солнечной активностью. Увеличение коэффициента вариации в 1998–2000 гг. в феврале и марте совпадает с ростом солнечной активности. Далее, значительное уменьшение изменчивости интенсивности зеленой линии произошло во время максимума солнечной активности. Следующее статистически значимое увеличение коэффициента вариации существенно больше двух стандартных ошибок среднего произошло в 2006–2008 гг. при глубоком минимуме активности Солнца. Вероятно, этот рост изменчивости интенсивности эмиссии 557.7 нм обусловлен усилением волновых возмущений в средней и верхней атмосфере. Коэффициенты корреляции, приведенные на рис. 4, имеют небольшие значения с низкой доверительной вероятностью, что также указывает на отсутствие статистически значимой зависимости коэффициента вариации от солнечной активности.

Рис. 4.

Коэффициент вариации эмиссии 557.7 нм для февраля (а) и марта (б) в 1997–2008 гг. На графиках указаны стандартные ошибки среднего и приведены коэффициенты корреляции R и доверительные вероятности P. в – индекс F10.7 для февраля и марта в 23-м цикле солнечной активности.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые проведены фотометрические наблюдения эмиссии ночного неба 557.7 нм на высокой географической широте 63° N. Многолетние вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм в первом приближении совпадают с вариациями, полученными в более ранних исследованиях свечения ночного неба в низких и на средних широтах [Фишкова, 1983].

2. Показана статистически значимая связь интенсивности эмиссии 557.7 нм с солнечной активностью. Средняя интенсивность этой эмиссии для февраля и марта имеет наибольшие значения в период максимума 23-го цикла солнечной активности (2001–2002 гг.).

3. Увеличение интенсивности эмиссии 557.7 нм в период максимума солнечной активности обусловлено ростом концентрации атомарного кислорода на высоте излучения зеленой линии согласно эмпирической модели MSIS-90.

4. Увеличение коэффициента вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм происходило как во время роста, так и в минимуме солнечной активности. Это указывает, вероятно, на связь роста коэффициента вариации с усилением волновых возмущений в средней и верхней атмосфере.