Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1650-1653

ВВЕДЕНИЕ

Многолетние регулярные измерения потоков заряженных частиц в атмосфере Земли, проводимые сотрудниками долгопрудненской научной станции ФИАН, помимо регистрации галактических и солнечных космических лучей, позволяют наблюдать высыпания высокоэнергичных электронов (ВВЭ) с энергией выше сотен кэВ из внешнего радиационного пояса в земную атмосферу. К настоящему времени зарегистрировано более 600 случаев ВВЭ на полярных широтах (ст. Апатиты, Мурманская обл. и обсерватория Мирный в Антарктиде) [1, 2]. Высыпающиеся электроны участвуют в ион-молекулярных реакциях на высотах мезосферы и верхней стратосферы, приводящих к генерации реактивных соединений азота NO_x (N, NO, NO₂, NO₃) и водорода HO_x (H, OH, HO₂). Эти соединения участвуют в каталитических реакциях, приводящих к разрушению озона [3], причем HO_x доминируют на высотах больше 45 км, тогда как NO_x, особенно во время полярной зимы, могут транспортироваться вниз на высоты до ~25 км и разрушать озон в стратосфере (так называемое непрямое воздействие). В свою очередь озон играет ключевую роль в радиационном балансе стратосферы, изменения его концентрации влияют на температуру и циркуляцию воздушных масс в стратосфере и тропосфере. По рекомендации Всемирной программы исследования климата WCRP высыпания высокоэнергичных частиц включены в химикоклиматические модели CMIP6 [4] как часть естественного солнечного воздействия на климат [5]. Однако последние исследования [6, 7] показали систематическую недооценку моделями CMIP6 вклада высыпающихся высокоэнергичных электронов в ионизацию атмосферы на высотах ниже 60 км. Тесная связь концентрации оксида азота NO на высотах 70–75 км в полярной зоне с авроральной активностью (электронов с энергиями десятки кэВ) показана во многих работах (см., например, [8] и ссылки там). Но сопоставления концентрации NO с ВВЭ, наблюдаемыми в атмосфере, до сих пор не проводилось. В данной работе представлены первые результаты совместного анализа данных о ВВЭ, зарегистрированных на ст. Апатиты (Мурманская обл., 67.55° с.ш., 33.33° в.д.) в период 2002–2012 гг. и данных о концентрации NO в атмосфере на высотах 64–90 км, измеренных спектрометром SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY), установленным на борту спутника ENVISAT [8, 9]. Исследован отклик вариаций концентрации оксидов азота на отдельные случаи ВВЭ и на серию событий.

ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Измерения ионизирующих частиц на шарах-зондах в земной атмосфере полярных и средних широт проводятся с 1957 г. по настоящее время [10]. Они позволяют измерять в атмосфере тормозное излучение электронов и таким образом регистрировать ВВЭ из внешнего радиационного пояса, хотя сами электроны поглощаются на высотах более 50 км. Энергия высыпающихся электронов составляет сотни кэВ–несколько МэВ. Методика и результаты измерений подробно описаны в [1, 2].

Спутник ENVISAT [9] находился на солнечно-синхронной орбите с высотой ~800 км в 2002–2102 гг. Мы использовали усредненные за день данные о концентрации оксида азота NO на высотах 64-90 км, полученные из лимбовых наблюдений рассеяного солнечного ультрафиолетового излучения на длине волны 250 нм (NO γ-band emissions) сканирующим 8-канальным прибором SCIAMACHY. Были отобраны данные, когда спутник находился на близком расстоянии от места наблюдения ВВЭ: в пределах ±1.5° по широте и ±15° по долготе. Другая серия данных содержала величины концентрации NO, усредненные от 0° до 360° долготы, а по широте в пределах ±1.3° от места наблюдения ВВЭ. Результаты анализа мало отличались для этих двух серий, поэтому мы приводим данные только для ближайшего пролета спутника.

Для примера на рис. 1 приведены результаты измерений концентрации NO во время высыпаний 16, 19 и 21 августа 2002 г. Показаны вариации концентрации оксида азота (n, см^–3) по данным измерений прибором SCHIAMACY в атмосфере на высотах 90 км (рис. 1а), 86 км (рис. 1б), 80 км (рис. 1в), 76 км (рис. 1г), 72 км (рис. 1д) и 66 км (рис. 1е) в период с 6 августа 2002 г. по 26 августа 2002 г. Вертикальные штриховые линии соответствуют датам зарегистрированных высыпаний энергичных электронов на станции Апатиты (Мурманская обл.). В концентрациях NO ясно виден отклик на события ВВЭ на всех высотах. Отклик NO на авроральные высыпания [8] показывает ослабление на высотах 66 км, который мы видим на рис. 1. ВВЭ производят ионизацию атмосферы до более низких высот, чем авроральные электроны, энергия которых не превосходит десятков кэВ [6].

Рис. 1.

Вариации концентрации оксида азота (n, см^–3) по данным измерений прибором SCHIAMACY на борту спутника ENVISAT в атмосфере на высотах 90 (а), 86 (б), 80 (в), 76 (г), 72 (д) и 66 км (е) в период с 6 августа 2002 г. по 26 августа 2002 г. Вертикальные штриховые линии соответствуют датам зарегистрированных высыпаний энергичных электронов на станции Апатиты (Мурманская обл.) 16, 19 и 21 августа 2002 г.

Мы применили метод наложения эпох, чтобы оценить средний вклад ВВЭ в концентрацию NO по данным SCHIAMACY. В качестве ноль-дней были использованы даты регистрации ВВЭ в 2002–2012 гг. в Апатитах [11], всего 64 события. На рис. 2а–2г показаны результаты метода наложения эпох для концентрации NO на высотах 88, 82, 70 и 68 км соответственно. Поведение концентрации вблизи нуль-дня имеет сглаженный максимум, т.к. события ВВЭ происходят сериями во время длительных геомагнитных возмущений [2], и соседние ВВЭ дают вклад в дни, предшествующие и последующие относительно нулевого дня. Нужно отметить, что усреднение концентрации NO за весь период измерений SCHIAMACY является лишь первым шагом в изучении связи между ВВЭ и NO в атмосфере, т.к. не учтены такие особенности, как разное время жизни NO в летний и зимний периоды, зависимость от геомагнитной обстановки, зависимость эффективности регистрации NO прибором от зенитного угла Солнца и т.п. На рис. 1 видно, что ответ NO на ВВЭ сильно меняется от одного события ВВЭ к другому. Все это предстоит исследовать в дальнейшей работе.

Рис. 2.

Результаты применения метода наложенных эпох к данным измерений концентрации оксида азота прибором SCHIAMACY на борту спутника ENVISAT на разных высотах: 88 (а), 82 (б), 70 (в) и 68 км (г). “Ноль-день” отмечен вертикальной штриховой линией и соответствует дню регистрации высыпания магнитосферных электронов в атмосфере по данным зондовых измерений космических лучей на ст. Апатиты (Мурманская обл.) в 2002–2012 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены первые результаты сопоставления случаев высыпаний высокоэнергичных магнитосферных электронов, зарегистрированных на баллонах в стратосфере Мурманской области, с концентрацией оксида азота NO на высотах 64–90 км по измерениям прибора SCIAMACHY, установленного на борту спутника ENVISAT. Показаны возрастания концентрации NO в день ВВЭ для отдельных высыпаний и средний отклик концентрации NO на ВВЭ за весь период работы SCIAMACHY (2002–2012 гг.).

Работа проводится в рамках Германо-Российского гранта “H-EPIC” финансируемого РФФИ (проект № 20-55-12020) и немецким научным фондом по гранту № SI 1088/7 (German Research Foundation DFG, SI 1088/7-1). Направления исследований были частично определены при выполнении работ по проекту International Space Science Institute (ISSI and ISSI-BJ team “Relativistic Electron Precipitation and its Atmospheric Effects”). Е. Розанов признателен за поддержку в рамках проекта ISSI team “Space Weather Induced Direct Ionisation Effects On The Ozone Layer”.