Наблюдение мезосферного озона на миллиметровых волнах

УДК 551.510

НАБЛЮДЕНИЕ МЕЗОСФЕРНОГО ОЗОНА НА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛНАХ

С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, А. И. Семенов1

Описана методика и приведены некоторые результаты спектральных наблюдений мезосферного озона на миллиметровых радиоволнах над Московским регионом. Для повышения точности определения содержания озона в ме-зосфере проведены синхронные измерения термодинамической температуры на высотах мезопаузы в том же участке неба по излучению гидроксила в ближней ИК области спектра. Одновременные измерения излучения озона и гидроксила на ММ и ИК волнах, соответственно, проводятся впервые. Полученные результаты согласуются с известными ракетными и спутниковыми данными о содержании озона выше 50 км.

В верхних слоях атмосферы происходят сложные фотохимические и динамические процессы, в которых важную роль играет озон [1]. Озонный слой поглощает вредное УФ-Б излучение Солнца (длины волн 250 - 300 нм). В силу оптических и химических свойств озона эта малая газовая составляющая воздействует на тепловой режим, химию и динамику атмосферы. Новые данные об изменениях содержания озона в атмосфере, происходящих в последние годы, получены наземными методами на миллиметровых (ММ) волнах в ФИАН [2]. Этими методами были обнаружены важные закономерности в изменениях стратосферного озона на высотах 15 - 50 км под влиянием естественных и антропогенных факторов. На ММ волнах с поверхности Земли оказывается возможным также получать уникальную информацию об озоне из еще более высоких труднодоступных слоев атмосферы выше 50 км, из ее мезосферы [2, 3]. Именно на этих высотах в

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН.

соответствии с фотохимической теорией должно происходить значительное увеличение озона при переходе от дня к ночи. Информация о содержании и вариациях этой газовой составляющей крайне важна для понимания процессов в земной атмосфере. В относительно немногочисленных экспериментах по исследованию как дневного, так и ночного озона на этих высотах были использованы ракетные и спутниковые методы измерений [4-8]. Новые возможности открывают регулярные наблюдения мезосферного озона с поверхности Земли на миллиметровых радиоволнах на частотах спектральных линий в пределах окон прозрачности атмосферы [2].

Данные о температуре на высотах мезопаузы повышают точность определения содержания озона в мезосфере из измеренных на ММ волнах вращательных спектров излучения этого газа. Наблюдения излучения гидроксида на ИК волнах позволяют получать важные данные о термодинамической температуре в области мезопаузы в слое примерно от 80 до 90 км [9]. Далее приводятся первые результаты совместных од новременных наблюдений излучения верхней атмосферы, выполненные на ММ и ИК волнах в ФИАН и на Звенигородской станции ИФА РАН, соответственно, в 2000-2001 гг., позволившие получить новые данные о содержании озона и о температуре в верхней атмосфере над Московским регионом.

Наблюдения излучения озона выполнялись на частотах спектральной линии, соответствующей вращательному переходу Юоло — Ю1.9 с центральной частотой 142.175 ГГц (длина волны 2.1 мм), по методике, изложенной в [2]. Ослабление этого излучения в тропосфере измерялось радиоастрономическими методами и затем исключалось введением соответствующих поправок [2]. Соотношение между яркостной температурой Тв теплового радиоизлучения озона на частоте и и высотным профилем его концентрации и (К) описывается уравнением переноса излучения и после поправки на тропосферное ослабление может быть представлено в следующем виде [2]:

где К(Т, и, 0, К) - ядро данного интегрального уравнения Фредгольма 1 рода, Т - тем пература атмосферы, 0 - угол наблюдения.

Были произведены расчеты ожидаемых эффектов при наблюдениях озонного слоя с поверхности Земли на частотах указанной выше спектральной линии озона, под зенитным углом 60 градусов для дневных и ночных условий. Эта задача была решена численными методами с использованием многослойной модели атмосферы от 0 до 100 км с заданными средними вертикальными распределениями температуры и давления,

оо

О

характерными для средних широт [10]. В модели были использованы данные о вертикальном распределении содержания озона в стратосфере и мезосфере из справочной модели озоносферы [11] и данных ракетных и спутниковых измерений [4-8]. На рис. 1а и 2а представлены результаты расчета указанной спектральной линии. Причем спектры на рис. 1а и на рис. 2а (верхняя кривая) соответствуют ночному распределению озона, представленному на рис. 16, а спектр на рис. 2а (нижняя кривая) рассчитан для дневного распределения озона, показанного на рис. 16.

Отстройка от центра линии МГц Концентрация О,, см-3

Рис. 1. а) Спектральная линия озона с центром на 142.175 ГГц, формируемая в стратосфере и мезосфере, для случая наземного наблюдения под зенитным углом 60 градусов в ночной период (расчет, ослабление в тропосфере отсутствует), б) Использованные в расчетах вертикальные распределения концентрации молекул озона в стратосфере и мезосфере для дневных и ночных условий.

Увеличение содержания озона в слоях мезосферы после захода Солнца, показанное на рис. 16, приводит к соответствующему возрастанию излучения в спектральной линии (рис. 2а). На рис. 2б-2г представлены вклады излучения ночного озона соответствен но из слоев 80-100 км, 60-80 км и 50-60 км. Излучение ночного озона из всего слоя 50-100 км показано на рис. 2а (верхняя кривая). Как видно из рис. 1а, 2а излучение ночного озона из слоя 50-100 км составляет заметную часть общего излучения озона формируемого в рассматриваемой линии во всей толще атмосферы. Доля излучения этого слоя в центре линии (рис. 2а) равна примерно четвертой части от всей линии

(см. рис. 1а). Уширение спектральной линии озона до высот около 75 км обусловлено соударениями молекул и зависит от давления, выше 75 км существенно допплеров-ское уширение. Причем излучение озона выше 80 км вносит наиболее заметный вклад в линию на участке 0-0.2 МГц от ее центра (рис. 26). Поскольку в высоких слоях атмосферы формируются узкие линии, а в низких более широкие, то вид результиру ющего спектра зависит от высотного распределения молекул озона. При этом контур спектральной линии чувствителен к вариациям содержания озона вдоль луча зрения и содержит информацию о вертикальном распределении концентрации молекул этого газа, что позволяет решить обратную задачу - восстановить вертикальный профиль концентрации озона из зарегистрированной спектральной линии озона.

3-2-10123 Отстройка от центра линии, МГц

-1.0 -0.6 -0.2 0 0.2 0.6 1.0 Отстройка от центра лиши, МГц

33.5 31.5 29.5 27.5 25.5 23.5 21.5

80-100 км

а

Ночь

50-100 км

Рис. 2. Вклады в спектральную линию на рис. 1а излучения ночного озона из слоев 50 — 100 км (а), 80 — 100 км (б), 60 — 80 км (в), 50 — 60 км (г). Для сравнения показан также вклад озона из слоев 50— 100 км в дневных условиях (верхний график).

Рис. 3. Спектры озона с центром на 142.175 ГГц, зарегистрированные с разрешением 100 кГц.  - днем, 24 ноября 2000 г., Д - в ночное время 24 — 25 ноября 2000 г., о - в ночное время 25 января 2001 г. Введены поправки на поглощение в тропосфере.

Для решения этой обратной задачи использовался итерационный алгоритм [12], в котором на каждом шагу применялся метод Тихонова в форме принципа обобщенной невязки. Для повышения точности решения обратной задачи в области высот выше 75

км была использована априорная информация об ожидаемом высотном распределении озона на этих высотах из известных результатов ракетного и спутникового зондирова ния [4 - 8]. В качестве нулевого приближения в указанной выше итерационной процедуре задавался профиль озона, который в соответствии с данными ракетного и спутниково го зондирования верхней атмосферы имел вторичный максимум на высоте около 85 км,. Данные о вертикальном профиле температуры и давления до высоты 30 км, ис пользуемые при решении обратной задачи, были взяты из результатов аэрологическою зондирования, любезно предоставленных Гидрометцентром РФ, и для высот 30-75 км дополнены данными из справочной модели атмосферы [10]. Расчеты показали, что на высотах ниже 75 км интенсивность излучения в линии озона в значительной степени определяется концентрацией молекул озона и относительно слабо зависит от температуры. На больших высотах, выше 75-80 км, где формируемая на ММ волнах спектральная линия уширена в основном эффектом Допплера, возрастает влияние температуры на интенсивность излучения молекул озона из этих слоев атмосферы. Для получения синхронных данных о температуре на высотах вторичного максимума озона (на 80-90 км) как раз и была проведена регистрация спектров излучения атмосферного гидроксила ОН в ближней инфракрасной области с помощью спектрографа на Звенигородской научной базе ИФА РАН. Причем излучение озона на ММ волнах и ИК излучение гидроксила регистрировались одновременно из одной и той же области неба. Наблюдения проводи лись при ясной погоде, что обеспечивало высокую точность измерения ИК спектров и определения вращательной температуры гидроксила, для чего использовались пер вые четыре линии Р1-ветви полосы ОН(6-2) [9]. Погрешность определения отношении интенсивностей анализируемых спектральных линий, используемых для определения вращательной температуры, была около 1%, а соответствующая точность определения температуры атмосферы на высотах свечения гидроксила (80-90 ?с.м) составила около 3 К.

В качестве примера в таблице 1 представлены значения температуры атмосферы в области мезопаузы, полученные из ИК спектров излучения гидроксила для отдельных периодов ночных наблюдений. Там же для сравнения представлены среднемесячные значения температуры для широты Москвы из справочной модели атмосферы [J0]. Из таблицы 1 видно, что имеется межсуточный температурный ход, не отраженный в модели, причем отличие измеренных температур в мезосфере от модельных значении может достигать 20 К. Полученные из измерений на ИК волнах значения температуры в мезосфере были использованы для определения содержания озона на тех же высотах

из спектров излучения озона на ММ волнах. Это позволило значительно уменьшить ошибку восстановленных профилей мезосферного озона.

Таблица 1 Температура в области мезопаузы (80 — 90 км), полученная из наблюдений ИК спектров излучения атмосферного гидроксила

Дата Время наблюдений Температура, К

из ИК измерений из модели атмосферы [10]

24-25.11.2000 г. 2100 — 4°° 226 206

23.01.2001 г. 1925 _ 2130 204 214

2130 _ 23зо 197 214

24.01.2001 г. 1915 _ 2045 221 214

2045 - 2215 223 214

25.01.2001 г. 18°° - 20°° 214 214

20°° - 22°° 217 214

Оценки показали, что при описанной выше методике погрешности определения (восстановления) высотного профиля содержания озона не превышают 5-7% на высотах 20 50 км, 10-15% на 50-75 км и 20% на 80-95 км. В области высот примерно 75-80 км, где расположен относительный минимум содержания озона, погрешность восстановленных профилей может достигать 50%. Был проведен цикл дневных и ночных наблюдений мезосферного озона и одновременных ночных наблюдений гидроксила в холодные пери оды 1999-2000 гг. и 2000-2001 гг. На рис. 3 представлены примеры спектральных линий озона (с поправкой на ослабление в тропосфере), зарегистрированных с разрешением 100 кГц днем 24 ноября 2000 г. и в ночное время 24-25 ноября 2000 г. и 25 января 2001 г. Показана центральная область линий в пределах отстроек ±3 МГц от центральной частоты линии. Наблюдения проводились при зенитном угле 60 градусов. Видно различие яркостных температур, зарегистрированных при наблюдениях в конце ноября 2000 г. и в конце января 2001 г., а также значительное превышение яркостных температур в центральной области линии в ночное время над дневным спектром. Причиной такого увеличения яркостной температуры является большое (в несколько раз) увеличение концентрации озона в мезосфере после захода Солнца, что соответствует выводам

фотохимической теории о значительном суточном ходе содержания озона в верхней атмосфере (см., например, [1]). Отличие спектров излучения мезосферного озона от ночи к ночи могут быть вызваны упомянутыми выше изменениями физико-химических условий в верхней атмосфере. Отметим, что яркостные температуры в центре линий на рис. 3, зарегистрированных ночью, заметно меньше, чем на рис. 1а. Это отличие связано с тем, что 24, 25 ноября 2000 г. и 25 января 2001 г. содержания озона в более низких слоях, в стратосфере на высотах 20-40 км, было значительно ниже его средних значений, для которых рассчитан спектр на рис. 1а. Такое уменьшение озона в стратосфере по срав нению с его средними значениями было вызвано появлением над Москвой в эти периоды наблюдений воздуха полярного вихря, в котором происходит разрушение озона.

Концентраци О,, см"3

Рис. 4. Вертикальные распределения озона, полученные из спектральных наблюдений на ММ волнах в ночные периоды: 1 - 24-25 ноября 2000 г., 2-24 января 2001 г., 3-25 января 2001 г. Для сравнения представлены результаты ракетных измерений озона: , О - из работы [4]; о - [5]; Д - спутниковые данные [6].

Примеры восстановленных ночных профилей озона выше 50 км представлены на рис. 4. Здесь же для сравнения показаны также вертикальные профили концентрации озона, полученные на основании данных ракетного и спутникового зондирования в ноч ных условиях [4-6]. Видно неплохое согласие приведенных данных ниже 65 км. Вместе с тем данные из работ [4 - 6], полученные в разное время и над разными регионами.

имеют значительный разброс выше 65 км, отражающий временную и пространственную изменчивость содержания озона в верхней атмосфере. На этих высотах полученные на ММ волнах профили озона наиболее хорошо согласуются со спутниковыми данными из работы [6].

Сопоставление полученных разными методами данных на рис. 4 показывает, что спектральные методы наблюдений верхних слоев озоносферы на миллиметровых волнах дают разумные результаты, которые вполне соответствуют имеющимся представлениям о содержании озона выше 50 км. Мониторинг озона в верхней атмосфере методами ММ волн осуществлен существенно более простыми средствами, чем в случае экспериментов с дорогостоящими ракетными и спутниковыми методами. Одновремен ные наблюдения озона на ММ волнах и гидроксила в ближнем ИК диапазоне выполнены впервые. Планируются дальнейшие исследования вариаций озона и гидроксила различного периода в верхних слоях атмосферы, что важно для изучения изменений состояния атмосферы и вызывающих эти изменения динамических и фотохимических процессов.

Авторы выражают глубокую благодарность члену-корреспонденту РАН И. И. Со-бельману и проф. Р. Л. Сороченко за поддержку данной работы, В. И. Перминову, С. Б. Розанову, А. Н. Лукину и В. Н. Леонову за участие в наблюдениях и обработке информации. Работа была поддержана грантами РФФИ NN 99-02-18132, 00-05-64976 и 00-15-96586.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л., Гидрометиздат, 1987.

[2] S о 1 о m о п о V S. V., Rozanov S. В., К г о р о t k i n а Е. P., and L и к i п А. N. Ргос. SPIE, 3406, 135 (1998).

[3] W i 1 s о n W. J., Schwarz P. R. J. Geophys. Res., 86, 7385 (1981).

[4] G г о s s ш a n n K. U. Adv. Space Res., 7, no. 9, 95 (1987).

[5] V a u g h a n G. Nature, 296, 133 (1982).

[6] В e v i 1 a q u a R. M., К r i e b e 1 D. L., Pauls Т. A. et al. GRL, 23, no. 17, 2317 (1996).

[7] Fussen D., Vanhellemont F., Bingen C., Chabrillat S. Geophys. Res. Lett., 27, no. 21, 3449 (2000).

[8] A 1 1 e n M-, L u n i n e J., Yung Y. JGR, 89, N D3, 4841 (1984).

[9] С е м е н о в А. И., Шефов Н. Н. Геомагнетизм и аэрономия, 36, N 46, 68 (1996).

[10] COSPAR International Reference Atmosphere: 1986. Part II: Middle Atmosphere Models, Pergamon Press, Oxford, 1990.

[11] Keating G. M., С h i о u L. S., Hsu N. S. Adv. Space Res., 18, N 9/10, 11 (1996).

[12] Гайкович К. П., Кропоткина Е. П., Соломонов С. В. Известия Ан. Физика атмосферы и океана. 35, N 1, 86 (1999).

Поступила в редакцию 12 сентября 2001 г.