Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 2, стр. 261-269

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время возник интерес к исследованию взаимодействия средней (высоты 20−100 км) и верхней (высоты выше 100 км) атмосферы. В результате проведенных экспериментов по искусственному воздействию на нижнюю ионосферу мощным КВ-радиоизлучением было обнаружено новое физическое явление – уменьшение интенсивности микроволнового излучения мезосферы в линии озона при модификации ионосферы стендом СУРА [Куликов и др., 2012, 2013]. В качестве интерпретации наблюдаемого эффекта рассматривались следующие гипотезы. Первая связана c усилением образования отрицательных ионов в мезосфере вследствие увеличения температуры электронов при нагреве нижней ионосферы мощными радиоволнами [Kulikov and Frolov, 2010]. Другой причиной может быть воздействие на нейтральную компоненту мезосферы, в частности молекулярный озон, внутренних гравитационных волн, генерируемых в E-области ионосферы при еe нагреве мощной радиоволной [Куликов и др., 2012; Григорьев и Трахтенгерц, 1999]. Нельзя исключать и влияние ионной химии на взаимосвязь между изменениями содержания мезосферного озона и полного содержания электронов в ионосфере [Пахомов и Князев, 1988; Muscari et al., 2005]. И наконец, обмен между ионосферой и мезосферой возможен из-за вертикальных движений воздушных масс [Беликович, 1998].

Возмущения ионосферы и мезосферного озона могут быть также вызваны внезапными стратосферными потеплениями (ВСП). Иллюстрацией такого события может служить потепление 2012−2013 гг., которое охватывало огромную территорию северного полушария. В микроволновых и оптических наблюдениях в Томске были отмечены значительные вариации озона и температуры на всех высотах средней атмосферы [Маричев и др., 2014; Matvienko et al., 2016]. Концентрация озона на высотах от 25 до 60 км изменялась в несколько раз. Это было уникальное потепление, которое вызвало приращение температуры на уровне 10 гПа на 70 К относительно среднемесячного уровня. При этом суточные колебания озона на высоте 60 км, связанные с заходом и восходом Солнца, составили всего ∼30%. Кроме того, это же потепление вызвало вариации полного электронного содержания в экваториальной ионосфере ∼100% [Goncharenko et al., 2013]. В средних и полярных широтах изменения содержания электронов [Kazimirovsky, 2002; Laštovička, 2006; Черниговская и др., 2014] также связывают с вариациями нейтрального состава во время возмущений в тропосфере и стратосфере. В работе [Goncharenko et al., 2012] предполагается, что флуктуации в озоне средней атмосферы, вызванные потеплениями, могут воздействовать на ионосферу через приливные волны. Известно, что при ВСП изменяется также состав, плотность, температура верхней термосферы (400 км над земной поверхностью). Изменения величины электронной плотности во время потепления такое же, как во время умеренной геомагнитной бури [Pedatella et al., 2018].

В настоящей статье мы представляем результаты микроволновых наблюдений озона средней атмосферы в Петергофе (60° N, 30° E) в январе–марте 2015–2016 гг. и в ноябре–марте 2016–2017 гг. во время стратосферных потеплений.

2. МОБИЛЬНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ОЗОНОМЕТР И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Метод микроволновой наземной радиометрии основан на измерениях вращательных спектров излучения малых газовых составляющих (в том числе озона) в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн. Микроволновые наблюдения слабо зависят от погодных условий и присутствия в атмосфере аэрозолей, что является преимуществом по сравнению с наблюдениями в оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн. Кроме того, микроволновые наблюдения озона могут выполняться круглосуточно. В последнее десятилетие нам удалось достичь определенных успехов на пути создания мобильных микроволновых спектрометров [Красильников и др., 2003; Kulikov et al., 2007].

Микроволновый озонометр состоит из гетеродинного неохлаждаемого приемника, настроенного на фиксированную частоту 110 836.04 МГц, которая соответствует вращательному переходу молекулы озона 6₀₆−6₁₅, и многоканального анализатора спектра. На входе приемника находится модуль, который включает в себя антенну (скалярный рупор) и коммутатор для калибровки интенсивности принимаемого атмосферного излучения в линии озона. Ширина диаграммы направленности рупорной антенны по уровню – 3 дБ составляет 5.4°. Однополосная шумовая температура приемника составляет 2500 К, режим приема в одной полосе обеспечивается запредельным фильтром с прямыми потерями 0.5 дБ и подавлением зеркального канала более 20 дБ. Анализатор спектра состоит из 31 фильтра с полосой пропускания от 1 до 10 МГц и полной полосой анализа 240 МГц.

Параметры прибора позволяют измерять за 15 мин спектр линии излучения озона с точностью ~2%. Измерения спектров теплового излучения атмосферы выполняются методом калибровки по двум “чернотельным” эталонам, которые находятся при температуре кипения жидкого азота и при температуре окружающего воздуха.

Информация о количестве О₃ содержится в измеряемом спектре интегрального радиоизлучения средней атмосферы. С помощью инверсии получаемых спектров можно получить данные о вертикальном распределении озона (ВРО) в атмосфере. Критерием правильности решения обратной задачи являлось наилучшее соответствие спектральной линии озона, рассчитанной по восстановленному профилю концентрации О₃ с исходным экспериментальным спектром. Погрешность определения ВРО по его измеренным спектрам вышеописанным прибором не превышает 10–15%.

Один из таких мобильных озонометров был установлен в 2007 г. в лаборатории физического факультета Санкт-Петербургского университета в Петергофе [Тимофеев и др., 2008]. С помощью этого прибора выполняются непрерывные микроволновые наблюдения озона средней атмосферы по настоящее время.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 1 приведены данные бортовых измерений температуры на уровне 10 гПа (приблизительно соответствует высоте 30 км) над Петергофом, полученные прибором MLS/Aura (миллиметровый диапазон длин волн), для двух зим 2015−2016 и 2016−2017 гг. В эти сезоны были отмечены минорные стратосферные потепления примерно в одно и то же время в конце второй декады января, а именно 19 января. Данные для января 2016 г. обозначены тонкой кривой, а для января 2017 г. − жирной кривой. Каждое потепление продолжалось ∼10 дней при этом максимальное отклонение температуры от фонового значения составляло ∼40 К. Для сравнения минорное потепление над Петергофом зимой 2013−2014 гг. имело продолжительность динамических возмущений в стратосфере (выше 20 км) ∼2.5 месяцев [Бочковский и др., 2016].

Рис. 1.

Временнóй ход температуры на уровне 10 гПа над Петергофом по данным MLS/Aura. Жирная линия – зима (ноябрь–март) 2016−2017 гг.; тонкая линия – зима (январь–март) 2016 г.

Вначале мы решили исследовать характер изменения содержания озона в эти зимние сезоны по результатам измерений орбитальными и наземными средствами. На рисунке 2 приведены вариации содержания озона в январе−марте 2015−2016 гг. (левая панель) и в ноябре−марте 2016−2017 гг. (правая панель) над Петергофом. На левой панели сплошной линией приведены данные об общем содержании озона (ОСО), которые были измерены бортовым прибором OMI/Aura (http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/aura/). Среднее ОСО за период с 01.01.2016 г. по 31.03.2016 г. составило 339 ± 5 е.Д. Максимальная величина ОСО за данный период наблюдений была 482 е.Д. (18.03.2016 г.), а минимальная 249 е.Д. (03.03.2016 г.). Аналогичное среднее значение ОСО за период с 01.11.2016 г. по 31.03.2017 г. (правая панель) составило 324 ± 4 е.Д. В этом сезоне наблюдались два максимума ОСО 447 е.Д. (15.01.2017 г.) и 467 е.Д. (24.03.2017 г.), а минимальная величина ОСО 228 е.Д. (22.11.2016 г.).

Рис. 2.

Изменения содержания озона над Петергофом зимой 2016−2017 гг. по данным спутниковых измерений и наземного микроволнового спектрометра. Левая панель – зима (январь–март) 2016 г.; правая панель – зима (ноябрь–март) 2016−2017 гг. Верхняя сплошная линия – общее содержание озона по данным бортового прибора OMI/Aura на обеих панелях. Нижняя сплошная линия – это содержание озона в слое 22–50 км по данным микроволновых бортовых измерений MLS/Aura на обеих панелях. Крестами обозначены содержание озона выше 22 км (ММВ) по данным наземных микроволновых наблюдений.

В нижней части рис. 2 на левой и правой панели приведены временные изменения содержания озона в слое 22−50 км по данным бортового прибора MLS/Aura X^MLS(22−50 км) е.Д. (сплошная линия) и содержания озона в слое выше 22 км по данным микроволнового озонометра X^ММВ (≥22 км) е.Д. (кресты). Прибор MLS/Aura использует лимбовый метод измерения параметров атмосферы [Waters et al., 2006]. Нами были отобраны данные по озону и температуре, соответствующие времени пролета спутника над Петергофом. С этой целью был выбран домен с координатами (60 ± 1.5)° N и (30 ± 5)° E для Петергофа. Данные X^ММВ соответствуют содержаниям озона для дневных и ночных его спектров. Отличие между ними практически отсутствует. За период с 01.01.2016 г. по 31.03.2016 г. средние содержания X^MLS и X^ММВ (левая панель) имели величины (158.6 ± 2.7) е.Д. и (155.0 ± 3.0) е.Д. соответственно. При этом максимальная величина X^MLS ~ 199 е.Д. была отмечена 13.03.2016 г., а минимальная ~117 е.Д. 3.03.2016 г. Отношение максимума к минимуму составило 1.7. Максимальная величина X^ММВ ~ 203 е.Д. по данным наземных микроволновых наблюдений была отмечена 14.03.2016 г., а минимальная ~113 е.Д. 03.02.2016 г. Отношение между ними составило 1.79. В сезоне с 01.11.2016 г. по 31.03.2017 г. (правая панель) аналогичные средние X^MLS и X^ММВ были равны (160.0 ± 4.0) е.Д. и (148.9 ± 2.5) е.Д. Максимальная величина X^MLS ~ 208 е.Д. была отмечена 17.01.2017 г., а минимальная 123 е.Д. во второй половине ноября 2016 г. Отношение максимума к минимуму составило 1.7. Максимальная величина X^ММВ ~ 197 е.Д. по данным наземных микроволновых наблюдений была отмечена 17.01.2017 г., а минимальная ~118 е.Д. 25.11.2016 г. Oтношение между ними составило 1.6. Поведение содержания озона, по данным бортового и наземного приборов, указывает на слабую взаимосвязь с потеплением 19 января 2016 г. В январе 2017 г. стратосферное потепление вызвало рост ОСО до 447 е.Д. и содержания О₃ в слое атмосферы от 22 км X^MLS и X^ММВ. Характер вариаций содержания озона, полученный обоими инструментами, который представлен на рис. 2, практически одинаков. Данные сравнения указывают на репрезентативность результатов дистанционных измерений содержания озона с поверхности земли.

Рассмотрим взаимосвязи изменений озона и температуры на избранных высотах средней атмосферы 25, 40 и 60 км во время ВСП. Эти результаты представлены на рисунках 3 и 4. На рисунке 3 приводятся данные бортовых измерений температуры прибором SABER, работающим в инфракрасном диапазоне длин волн и MLS/Aura (миллиметровый диапазон длин волн) для января−марта 2016 г. Хотя оба инструмента зарегистрировали схожие заметные температурные возмущения в интервале высот 40–60 км, однако отметим, что наблюдаются расхождения в измерениях температуры, которые в ряде случаев достигают 10−20 К. Хорошо заметны температурные возмущения в средней атмосфере в интервале высот 40−60 км, которые были отмечены SABER и MLS/Aura. На высоте 60 км после 30.01.2016 г. наблюдались изменения температуры с размахом от минимальной до максимальной ~20 К и квазипериодом около двух недель. Продолжительность этих вариаций составила около двух месяцев с 25.01. по 31.03.2016 г. С 13.01. по 24.01.2016 г. бортовыми приборами (на уровне 60 км) была зарегистрирована минимальная температура, которая по данным MLS/Aura составила в среднем (219.8 ± 3.2) К и по данным SABER – (224.7 ± 1.9) К, продолжительностью с 13.01. по 24.01.2016 г. В это же время наблюдалось возмущение в концентрации озона. По данным наземных микроволновых наблюдений концентрация О₃ (на уровне 60 км) увеличилась в два раза по сравнению с фоновыми значениями в первой декаде января и в три раза по сравнению с относительно “спокойным” периодом в феврале и марте. Максимальная концентрация О₃ 15−17.01.2016 г. имела величину 2.3 × 10¹⁰ мол/см³. При этом средняя концентрация для невозмущенного периода составила (4.7 ± 0.2) × 10⁰⁹ мол/см³ для дневных наблюдений (полые кружки на верхней панели рис. 3) и (7.8 ± 0.3) × 10⁰⁹ мол/см³ для ночных наблюдений − это заполненные кружки. Таким образом, суточный ход озона на высоте 60 км (превышение концентрации О₃ ночью над его дневными величинами) в феврале−марте 2016 г. достигал 70%. На рисунке 3 (средняя панель, которая соответствует 40 км) хорошо заметны два температурных максимума, один из них приходился на период с 6 по 7 февраля, и величина его достигала 275 К, а другой приходился на период с 4 по 5 марта, его величина 285 К. Продолжительность обоих температурных возмущений была около недели. Заметим, что в начальный период наблюдений, когда температурный фон на высоте 40 км был невозмущенный, нами зарегистрировано максимальное количество озона в этом сезоне – ∼(6.6 ± 0.1) × × 10¹¹ мол/см³. Во время первого всплеска температуры была отмечена минимальная концентрация озона ∼(3.30 ± 0.08) ± 10¹¹ мол/см³. Причем вариации озона в течение февраля−марта были незначительны. Следует отметить, что продолжительность по времени возмущения концентрации О₃ на высоте 60 км существенно меньше возмущения озона на высоте 40 км. На рисунке 3 (нижняя панель) отображены изменения температуры на уровне 25 км по данным бортовых приборов MLS/Aura и SABER. Минорное потепление в середине января сопровождалось ростом температуры на этом уровне более чем на 20 К.

Рис. 3.

Поведение концентрации озона (кружки) и температуры (жирные и тонкие сплошные линии) на высоте 25, 40 и 60 км зимой (январь–март) 2016 г. Жирная сплошная линия – данные бортовых измерений прибором SABER, а тонкая сплошная линия – данные бортовых измерений MLS/Aura. На верхней панели рисунка заполненные и полые кружки (концентрация О₃ на высоте 60 км) соответствуют данным, полученным из обработки ночных и дневных наблюдений соответственно.

Рис. 4

. Поведение концентрации озона (ромбы) и температуры (сплошная линия) на высотах средней атмосферы 25, 40 и 60 км. Данные по озону являются результатом измерений методом наземной микроволновой радиометрии, а данные по температуре – результат бортовых измерений MLS/Aura. Квадратами на нижней панели рисунка приведены результаты прямых измерений озона на высоте 25 км на ст. Sodankyla зимой (ноябрь–март) 2016–2017 гг.

В это время полярный вихрь сильно деформировался, при этом он имел неоднородную структуру по высоте (http://cdsespri.ipsl.fr/etherTypo/ index.php?id=1663&L=1). Верхние слои стратосферы над Петергофом, которые до середины января были за пределами вихря, после 20 января оказались во внутренней его части и оставались здесь до середины марта, когда вихрь разрушился. Зарегистрированное нами резкое снижение содержание озона на уровнях 40 и 60 км, по-видимому, обусловлено временной эволюцией полярного циклона, внутренние области которого характеризуются пониженными значениями концентрации О₃. Высотный уровень 25 км дважды за период наблюдений оказывался за пределами вихря – 16−17 февраля в результате его деформации и 10−15 марта во время его полного разрушения. В эти периоды времени нами наблюдался значительный рост содержания озона (см. рис. 3, нижняя панель). Проведенный траекторный анализ (https://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT) показал, что в эти дни воздух в район наблюдений был перемещен из районов, богатых озоном, – из Восточной Сибири (http://exp-studies.tor.ec.gc.ca/ cgi-bin/selectMap). Для сравнения в остальные дни февраля и марта траектории воздушных масс лежали в границах полярного циклона, при этом концентрация озона слабо росла по мере ослабления силы вихря. В это время нами обнаружено увеличение количества озона на высоте 25 км почти в два раза. Следует отметить, что такой рост озона был также зарегистрирован на ряде арктических станций.

На рисунке 5 показаны изменения плотности озона на высоте 25 км в период с 01.01–31.03.2016 г. Они были получены методом наземной микроволновой радиометрии в Петергофе (заполненные кружки). Кроме того, на рис. 5 приведены данные прямых измерений вертикальных профилей озона в обсерваториях, которые расположены за полярным кругом − это (пустые квадраты) Sodankyla (67° N, 27° E), (заполненные треугольники) Summit (73° N, 38° W) и (кресты) Салехард (67° N, 67° E). На первых двух станциях происходят регулярные запуски баллонных озонозондов. Характер взаимосвязи озона и температуры в стратосфере по данным анализа многолетних спутниковых измерений озона [Finger et al., 1995] указывает на существование положительной корреляции между содержанием озона и температуры в нижней стратосфере и отрицательной на высотах выше 30 км. В наземных микроволновых наблюдениях стратосферного озона в полярных широтах во время стратосферных потеплений отмечалась положительная корреляция между изменениями озона и температуры на высотах 20–30 км. Во время мощных потеплений положительная корреляция наблюдалась на всех высотах стратосферы [ Куликов и др., 2002а, б, 2005, 2007].

Рис. 5.

Сопоставление данных наземных микроволновых наблюдений в Петергофе с данными прямых измерений концентрации озона на высоте 25 км в Арктике зимой (январь–март) 2016 г.

На рисунке 4 представлены временные изменения концентрации озона (ромбы, наземное микроволновое зондирование) и температуры (сплошная линия, данные MLS/Aura) на высотах средней атмосферы 25, 40 и 60 км над Петергофом зимой 2016−2017 гг. На нижней панели, помимо этого, приведены данные измерений О₃ на станции Sodankyla (полые квадраты). В течение этого зимнего сезона полярный циклон неоднократно подвергался деформации. При этом наблюдались значительные температурные колебания на всех высотах стратосферы. На уровне 25 км можно увидеть три, а на 40 км четыре мощных всплеска температуры. Данные рис. 4 показывают, что в этот период были также зарегистрированы и вариации содержания озона в стратосфере. Видно, что на уровне 25 км изменения озона и температуры были синхронны не только по данным наземного микроволнового зондирования, но и по данным баллонных озонозондов в Sodankyla. Следует обратить внимание на очень низкие концентрации озона, полученные на этой станции – менее 2 × 10¹² мол/см³, когда она находилась внутри полярного вихря. Близкие по величине значения неоднократно отмечались нами ранее при микроволновых измерениях О₃ в Апатитах [Куликов и др., 2002б, 2005] − эта станция расположена на той же широте, что и Sodankyla. Изменчивость озона на высотах 40−60 км зимой 2016−2017 гг. была существенно выше, чем зимой 2015−2016 гг. При этом всплеск озона произошел также в районе 19 января. На верхней панели (рис. 4) приведен временной ход концентрации О₃ (пустые ромбы) на уровне 60 км только по дневным наблюдениям. Максимальная средняя концентрация О₃ с 17 по 21 января 2017 г. составляла (1.86 ± 0.07) × 10¹⁰ мол/см³. При этом средняя концентрация для невозмущенного периода ноябрь−декабрь 2016 г. и февраль–март 2017 г. составила величины (3.66 ± 0.18) × 10⁰⁹ мол/см³ и (5.10 ± 0.15) × 10⁰⁹ мол/см³ соответственно. Подобные флуктуации концентрации озона на высотах 40–60 км были зарегистрированы в приполярных широтах (Петергоф) зимой 2013–2014 гг. [Бочковский и др., 2016]. Обращаем внимание, что величина возмущения концентрации озона на высотах 40−60 км превышает изменения О₃ на высоте 25 км. Следует отметить, что изменчивость озона в средней атмосфере в этом сезоне связана с деформацией и перемещением полярного циклона. Так, в середине декабря 2016 г. он сильно деформировался, и вся европейская часть оказалась за его пределами. Траекторный анализ (https://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT) показал, что на высотном уровне 25 км состояние озонового слоя в это время определялось горизонтальным переносом воздуха из района Сибири, где наблюдалось повышенное содержание озона (см. карты полей озона (http://exp-studies.tor.ec.gc.ca/cgi-bin/ selectMap)). Видно (рис. 4), что в третьей декаде декабря на высоте 25 км по микроволновым данным наблюдался рост озона. Такое же увеличение было обнаружено и на станции в Sodankyla (прямые измерения О₃). На высотах 40 и 60 км содержание озона практически не изменялось. Аналогичная картина наблюдалась в середине января 2017 г., когда Петергоф снова оказался вне полярного вихря. В это время изменился циркуляционный режим в стратосфере над пунктом наблюдений, когда воздушные массы из внутренней замкнутой области циклона сменились пришедшими из области северной части Атлантики, где наблюдалось повышенное содержание озона. В течение всей второй половины января нами отмечен рост озона на всех высотных уровнях (рис. 4). Вариации стратосферного озона в феврале были схожи с декабрьскими и были вызваны изменением циркуляции только в нижней части стратосферы, которое в свою очередь было вызвано деформацией и перемещением полярного вихря (https://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT). Наконец, в начале марта 2017 г. этот вихрь сильно ослаб и разрушился (http://cds-espri.ipsl.fr/etherTypo/index. php?id=1663&L=1). В это время наблюдался умеренный рост озона, связанный с горизонтальной адвекцией воздуха из Восточной Сибири.

В настоящей работе отмечается факт возникновения повышенного содержания озона в области высот 40−60 км во время внезапных стратосферных потеплений. Флуктуации в содержании озона могут вызвать дополнительный нагрев стратосферы и мезосферы из-за поглощения молекулами О₃ солнечной ультрафиолетовой радиации. Изменение температурного режима этой области может генерировать разного рода волновую активность. В работе [Ясюкевич и др., 2018] отмечается связь увеличений стратосферного озона, термосферного O/N₂ и ионосферной электронной концентрации на средних широтах в течение довольно длительного периода времени (до 20 дней) после максимума ВСП. В дальнейшем планируется провести подобное исследование в полярных широтах.

4. ВЫВОДЫ

В длительных микроволновых наблюдениях в Петергофе отмечены значительные вариации озона на высотах 40–60 км для двух зимних сезонов, которые возникли во время внезапных стратосферных потеплений (минорного типа) в середине января 2016 и 2017 гг.

Нами впервые обнаружено, что масштаб изменений концентраций озона на высотах 40−60 км превышает его изменения на высоте 25 км в период потепления минорного типа.

Все изменения в озоновом слое средней атмосферы, отмеченные нами, происходили в результате перемены циркуляционного режима в стратосфере над пунктом микроволновых измерений. Эти изменения в значительной степени определялись деформацией и перемещением полярного вихря.