Особенности изменчивости вертикального распределения аэрозоля в средней атмосфере Камчатки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат физико-математических наук Бычков, Василий Валентинович

• Бычков, Василий Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бычков, Василий Валентинович

Содержание

Введение 4 Глава 1 Аэрозоли в средней атмосфере

1.1.1 Слой Юнге

1.1.2 Полярные стратосферные облака

1.1.3 Мезосферные облака

1.1.4 Спорадические образования аэрозоля в стратосфере

1.1.5 Спорадические аэрозольные образования в мезосфере

1.2 Ионный состав мезосферы

1.3 Средства наблюдений

1.3.1 Лидарная станция

1.3.2 Программы управления и обработки

1.3.3 Ионосферная станция

1.4 Заключение к главе 1 40 Глава 2 Методы обработки лидариых сигналов

2.1 Метод расчета профилей аэрозольного рассеяния

2.2 Измерение фонового сигнала

2.3 Метод коррекции лидарных сигналов на последействие ФЭУ

2.4 Стратосферные наблюдения

2.5 Наблюдения в области мезопаузы

2.6 Основные результаты главы 2 58 Глава 3 Лидарные наблюдения появления аэрозоля в

средней атмосфере Камчатки

3.1 Введение

3.2 Сезонные особенности появления аэрозоля в средней атмосфере Камчатки

3.3 Особенности аэрозольного проявления во время стратосферного потепления

3.3.1 Геофизическая обстановка

3.3.2 Лидарные наблюдения

3

3

Глава

4

4

4

4

4

Среднестатистический профиль

Основные результаты главы 3

Геофизическая обстановка в периоды появления аэрозоля в средней атмосфере Камчатки

Оценка возможности конденсации воды в средней атмосфере

Связь появления аэрозольных слоев с понижением температуры

О связи появления аэрозоля с поглощением радиоволн в ионосфере

Связь появления аэрозоля в мезосфере с ростом потока релятивистских электронов с энергией больше 92 кэВ

Основные результаты главы 4

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Статистическое обоснование корреляций

Приложение 2. Профили отношения рассеяния за холодный сезон ноябрь-февраль 2007-2011 г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности изменчивости вертикального распределения аэрозоля в средней атмосфере Камчатки»

Введение

Актуальность проблемы

В исследованиях атмосферы всегда уделялось большое внимание аэрозолям, влияющим на ее тепловой режим, динамику, явления атмосферного электричества, оптические свойства атмосферы. Роль аэрозольных частиц в атмосферных процессах важна в первую очередь их взаимодействием с водяным паром, массовое содержание которого на три-четыре порядка больше, чем у аэрозоля и условиями, в которых пары воды находятся в атмосфере. Достаточно измениться внешним условиям и очень быстро может начаться рост аэрозольных частиц за счет перехода воды в жидкое или твердое состояние. Причем этот переход иногда может происходить даже тогда, когда относительная влажность далека от насыщения, и определяться особыми свойствами аэрозольных частиц [1].

Наличие аэрозоля существенно влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Факт уменьшения солнечной радиации после мощных вулканических извержений отмечался еще в начале прошлого века. Количество приходящей радиации напрямую зависит от наличия аэрозоля в атмосфере, который поглощает и рассеивает коротковолновую часть приходящего солнечного излучения, уменьшая тем самым поступление потока тепла на поверхность Земли. С другой стороны, аэрозольные слои задерживают значительную часть длинноволнового излучения, направляя его назад на Землю (парниковый эффект).

Аэрозольные частицы могут выступать катализаторами фотохимических реакций, существенно изменять скорости реакций во всей области высот, и таким образом влиять на ионный состав атмосферы. Присутствие аэрозольных частиц в атмосфере тесно связано с явлениями атмосферного электричества. Прилипание легких ионов к аэрозольным частицам уменьшает проводимость атмосферы, сосредоточение на аэрозольных частицах заряда одного знака может приводить к образованию значительных объемных зарядов за счет транспортировки зарядов аэрозольными частицами при их движении в поле тяжести Земли или с конвективными потоками.

Большая часть опубликованных работ по исследованию аэрозоля посвящена тропосфере и нижней стратосфере, а также области мезопаузы, где исследуются

частицы метеорного слоя и серебристые облака. Считается, что в области от верхней стратосферы до верхней мезосферы аэрозоля настолько мало, что его невозможно обнаружить лидарными или радарными методами. Меж тем еще в 80-х годах J.M. Rosen и D.J. Hofman [2, 3] обнаружили аэрозольные образования в верхней стратосфере. Их надежные шар-зондовые измерения подтверждены лидарными наблюдениями в Австралии и измерениями суперлидара на Ямайке. Был сделан вывод о том, что на низких широтах в зимнее время появление аэрозоля в верхней стратосфере возможно, и оно обусловлено внутренними процессами нуклеации, а не повышением вулканической активности. Согласно работам этих авторов, аэрозоль на высотах 25-35 км может появляться в периоды стратосферных потеплений. Механизм его образования включает испарение аэрозоля слоя Юнге в теплой стратосфере, меридиональное перемещение воздушных масс в сторону экватора с подъемом параллельно геопотенциалу тропопаузы и остыванию с конденсацией. Но многочасовыми лидарными наблюдениями в Томске, в 1986-2000 г. появление аэрозоля в верхней стратосфере зимой было обнаружено и на средних широтах.

Аэрозольные образования на границе стратосфера-мезосфера обнаруживались космическими спектрофотометрическими наблюдениями и систематическими наземными сумеречными наблюдениями неба, выявившими сложную слоистую структуру мезосферного аэрозоля с максимумами на 50, 65 и 75 км [4]. В целом, разные авторы отмечали низкую точность спектрофотометрических методов наблюдений и высокую динамику аэрозольного наполнения в мезосфере, в которой большую роль играют турбулентные перемещения воздушных масс, гравитационные волны, метеорные потоки и другие спорадические явления.

Современных публикаций по обнаружению аэрозоля в верхней стратосфере и мезосфере очень мало. В обзоре SEDAR из 241 работ, выполненных в рамках этого проекта, посвященного средней атмосфере, лишь одна относится к наблюдению аэрозольных слоев на высоте 38 км в Арктике, где зимой 2000 г. наблюдались аэрозоли с частицами размером 30-50 нм [5]. При исследовании полярного зимнего мезосферного эхо радаром ESRAD (Кируна, Швеция) во время протонных событий с сентября 2000 по апрель 2001 года были обнаружены многочисленные случаи повышенного отражения в области 50-80 км, которые

можно было объяснить только предположением о наличии на этих высотах аэрозольных слоев [6]. Исследование этого явления с привлечением данных лидара Боннского Университета, расположенного в 2 км от радара, подтвердили это предположение [7]. В области высот -70 км 12/13 января 2002 г. во время слабого протонного события обнаружен слой повышенного светорассеяния с отношением рассеяния К—1.1. Одновременно радаром были зафиксированы повышенные эхо-сигналы с тех же высот. Детальный анализ данных показал, что возможность появления на 70 км повышенного рассеяния в связи с температурной инверсией маловероятна. Оценка возможности реконденсации на этих высотах метеорного вещества показала, что его не хватает по массе почти на порядок. Основной вывод авторов этой работы состоит в том, что факт появления аэрозоля обоснован достаточно. А многочисленные случаи регистрации радаром Е8КАБ повышенных эхосигналов зимой 2000/2001 г. ставят вопрос о пересмотре распространенного мнения об отсутствии аэрозоля на этих высотах.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что исследования верхней стратосферы и мезосферы с целью выявления возможности, условий и механизмов формирования аэрозольных слоев являются актуальными. Мезосфера полностью относится к относится к слою Э ионосферы, и заметную роль при образовании в ней аэрозоля может играть наличие ионной компоненты плазмы. Кроме того, известно, что атмосферные явления, зимние стратосферные потепления, выражающиеся, прежде всего, в повышении температуры в области стратопаузы и уменьшении ее высоты, всегда сопровождается явлением зимнего аномального поглощения радиоволн низкой частоты в ионосфере в области высот 75-95 км. Связь этих двух явлений не вызывает сомнений, хотя проявляются они по разному и в разных областях, отстоящих друг от друга по высоте на ~ 40 км. Поэтому постановка задачи синхронного наблюдения и последующего совместного исследования данных, полученных в ионосферных и лидарных наблюдениях, обоснована.

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование вертикального распределения оптически активной фракции аэрозоля в верхней стратосфере и мезосфере Камчатки, выявление условий ее формирования и возможных связей появления аэрозоля с явлениями в ионосфере.

Средства наблюдений - лидарная станция и ионозонд.

Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:

- получение экспериментальных данных о появлении аэрозоля в средней атмосфере;

- анализ геофизической обстановки, сопровождающей его образование;

- исследование условий формирования аэрозольных слоев.

Решение этих задач предполагало создание комплекса синхронных лидарных и радарных наблюдений стратосферы, мезосферы и ионосферы.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Содержит 107 страниц, 43 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 83 ссылок.

Во введении обоснована актуальность исследований, определены цели и задачи работы, практическая и научная ценность работы, научная новизна. Определен личный вклад автора и положения, выносимые на защиту. Приведен список работ, опубликованных по теме диссертации.

В первой главе приведен обзор имеющейся литературы о состоянии исследований вопроса о возможности и условиях формирования аэрозоля в верхней стратосфере и мезосфере. Дано описание ионного состава атмосферы на мезосферных высотах. Обоснована постановка задачи синхронных лидарных и ионосферных наблюдений за появлением аэрозоля в средней атмосфере.

Приводится описание созданной на Камчатке в 2007 году лидарной станции, ее основных технических параметров, возможных режимов работы, разработанных программ управления и обработки данных.

Дано описание проведенной модернизации ионосферной станции для получения данных в цифровом формате, описание разработанных управляющих программ и программ обработки данных.

Во второй главе приведено описание метода восстановления профилей отношения сигналов обратного рассеяния и способа измерения фонового сигнала. Приводится анализ влияния Луны на форму профилей отношения рассеяния.

Изложено описание экспериментов по определению влияния явления последействия в устройствах регистрации сигналов. Дается обоснование метода коррекции исходных лидарных данных для учета явления последействия фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Приводятся примеры, показывающие, что с помощью данного метода удается восстановить профили отношения рассеяния до высот 75-90 км.

В третьей главе обсуждаются результаты лидарных наблюдений, полученных на Камчатке с осени 2007 года по декабрь 2011 года.

Приведено описание структурных особенностей аэрозольных слоев, наблюдавшихся в средней атмосфере Камчатки, и сезонных особенностей их появления. Показано, что стратосферные слои аэрозоля обычно характеризуется большой протяженностью, от тропосферы и до высот ~50 км. Мезосферные слои могут иметь толщину в несколько километров, при большой протяженности слоя на нем могут наблюдаться несколько локальных максимумов на разных высотах. Слои в мезосфере и стратосфере могут появляться как одновременно, так и независимо друг от друга.

По результатам лидарных наблюдений 2007-2011 г. обсуждаются сезонные особенности появления аэрозоля в верхней стратосфере и мезосфере Камчатки. Делается вывод о том, что для периода с апреля по октябрь характерно слабое проявление аэрозольного наполнения верхней стратосферы и мезосферы, в целом в этот период обратное рассеяние света определяется молекулярным рассеянием во всем исследуемом интервале высот 30-80 км.

Приводятся данные измерений, подтверждающие, что для периода с ноября по март характерно появление слоев с повышенным светорассеянием в области верхней стратосферы и в мезосфере, как протяженных в широких областях высот, так и толщиной в несколько километров в области 60-75 км.

Представлены среднестатистические профили за холодный период октябрь-март за время наблюдений с октября 2007 г. по декабрь 2011 г., полученные усреднением всех имеющихся за сезон данных. Полученные максимумы на среднестатистическом профиле за 78 ночей наблюдений расположены на высотах 65, 69 и 75 км. Высоты 65 и 75 км точно совпадают с высотой мезосферных слоев, полученных в работе [4] в результате статистической

обработки более 10000 наблюдений различных видов, проведенных с 1940 по 1980 годы. Этот результат подтверждает достоверность полученных лидарных данных.

Представлены результаты лидарных наблюдений, полученных во время стратосферного потепления в январе 2008 года. Стратосферное потепление над Камчаткой с 18 по 25 января 2008 года определено по данным измерений температуры со спутника Аура. В области высот 60-70 км 18, 20 и 23 января обнаружены хорошо выраженные аэрозольные слои, наблюдавшиеся в период максимального развития аномального поглощения радиоволн низкой частоты. Аномальное поглощение в ионосфере определено по результатам измерений ионосферной станции. Обнаруженные аэрозольные слои характеризуются стабильностью существования в течение всего времени наблюдений (4 часа) и горизонтальной протяженностью не менее -1000 км.

В четвертой главе анализируется геофизическая обстановка во время появления аэрозольных слоев.

Выполнены оценки возможности появления условий для конденсации воды в верхней стратосфере и мезосфере. Использованы данные спутника Аура, содержащие информацию об удельном содержании воды и температуре атмосферы. Показано, что в средних зимних условиях во всей области высот 30-80 км содержание воды на 3-4 порядка меньше, чем необходимо для достижения точки росы. Показано, что даже при понижении температуры в области слоя на -55 градусов, до достижения точки росы содержания паров воды в мезосфере недостает более чем на порядок. И прямая конденсация с образованием аэрозоля не представляется возможной.

Показана связь появления аэрозольных слоев с понижением температуры. Во время стратосферных потеплений обнаружены отрицательные корреляции между средним по области 50-72 км отношением рассеяния и средней температурой на этих высотах с коэффициентом корреляции -0.71. В обычных зимних условиях корреляции среднего отношения рассеяния со средней температурой наблюдались в стратосфере на высотах 24-50 км с коэффициентом корреляции -0.75. На мезосферных высотах в этот период наблюдались слабые корреляции, с коэффициентом корреляции -0.4. Корреляции рассчитывались по

всем имеющимся данным периода ноябрь-февраль, за время наблюдений с ноября 2007 г. по декабрь 2011 г.

Исследована связь появления аэрозольного рассеяния в средней атмосфере с явлением зимнего аномального поглощения радиоволн в ионосфере и стратосферными потеплениями. Показано, что аэрозольные слои, как в верхней стратосфере, так и в мезосфере, могут появляться не только в периоды стратосферных потеплений, но, как правило, сопровождаются аномальным поглощением радиоволн в нижней ионосфере. Поглощение оценивалось по значениям ионосферного параметра finin — частоты, на которой на ионограммах появляется след от слоев Е или F. Показано, что все случаи появления аэрозольного рассеяния происходили либо при повышенных среднесуточных значениях finin, либо при аномально переменчивых значениях fmin в течение суток.

Приводится описание соответствия во времени появления аэрозольных слоев на высотах 60-75 км с ростом потоков релятивистских электронов (90-526 кэВ) над Камчаткой по данным спутника Деметер. По рядам пятнадцатиминутных данных обнаружены корреляции между средним по высоте мезосферного аэрозольного слоя значением отношения рассеяния и ионосферным параметром fmin. Эти корреляции означают, что изменения fmin и формирование аэрозоля в слое могут иметь общую причину - высыпания релятивистских электронов.

В заключении приведены основные результаты работы.

Научная новизна работы

- адаптирован метод коррекции лидарных сигналов на мезосферных высотах с целью учета импульсов последействия ФЭУ, заключающийся в том, что из сигнала лидара, работающего от высот ~20 км, необходимо вьгчесть экспоненту, полученную методом наименьших квадратов на сигнале в области ~ 90-150 км. Использование этого метода устраняет вклад импульсов последействия от высот -60 км и позволяет восстановить профиль отношения рассеяния до 75-90 км;

- выявлены сезонные особенности вертикальной стратификации аэрозоля в верхней стратосфере и мезосфере Камчатки (30-80 км), заключающиеся в том, что появление аэрозольных слоев в этой области высот характерно для холодного

сезона, с конца октября по март. В теплый сезон слабое аэрозольное рассеяние может наблюдаться в области 65-80 км;

-показано, что во время стратосферных потеплений среднее отношение рассеяния на мезосферных высотах (50-72 км) коррелирует с понижением средней температуры в этой области. Корреляций на стратосферных высотах не наблюдается. В обычных условиях наблюдаются корреляции на стратосферных высотах (24-50 км), и слабые корреляции на мезосферных высотах;

- обнаружены короткопериодные (15 минут) корреляции среднего по мезосферному слою отношения рассеяния с ионосферным параметром йшп, минимальной частотой, на которой на ионограммах появляются следы от слоев Е или Р, которые означают, что изменения йшп и формирование слоя с аэрозольным рассеянием могут иметь общую причину - высыпания релятивистских электронов из радиационного пояса Земли.

Положения, выносимые на защиту

1. Для лидара с большой базой, работающего от высот -20 км, выделение экспоненты из сигнала в области -90-150 км и вычитание ее из исходного сигнала устраняет вклад импульсов последействия в области высот больше 60 км и позволяет восстановить профиль отношения до высот -75-90 км.

2. В средней атмосфере Камчатки в холодный сезон, с конца октября по март, происходит регулярное появление аэрозольных слоев, а для периода с апреля по октябрь характерно отсутствие, либо слабое проявление аэрозольного рассеяния в интервале высот 65-80 км. Среднестатистический профиль отношения рассеяния в мезосфере Камчатки имеет максимумы на высотах 65, 69 и 75 км.

3. Появление аэрозольных слоев в мезосфере коррелирует с понижением температуры в ней в условиях стратосферных потеплений. В обычных условиях наблюдаются корреляции на стратосферных высотах и слабые корреляции на высотах мезосферы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов лидарных измерений и обработки сигналов, сопоставлением результатов, полученных в теплые сезоны, с общепринятыми представлениями, а также сопоставлением результатов полученных лидарным методом с известными результатами спектрофотометрических наблюдений.

Практическая и научная ценность работы

В работе показано, что в зимнее время аэрозольное рассеяние в верхней стратосфере и в мезосфере появляется регулярно. Показано, что появление аэрозоля в средней атмосфере сопровождается понижением температуры, высыпаниями электронов и другими явлениями, и эти результаты могут быть использованы в исследованиях динамики средней атмосферы.

Работа выполнена в соответствии с планами научных исследований ИКИР ДВО РАН, грантов РФФИ № 07-05-00734а и № 10-05-00907-а, в рамках Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16, проектов Президиума ДВО РАН № 06-П-СО-07-026 и № 9-П-СО-07-001.

Личный вклад

Автор непосредственно участвовал в работах по модернизации ионосферной станции ИКИР и в работах созданию лидарной станции. Делал постановку задач и разработку алгоритмов для программ управления лидарной станцией, программ обработки ионосферных и лидарных данных. Проводил апробацию программ и готовил задания по их усовершенствованию. Планировал и проводил экспериментальные измерения, в том числе эксперименты для разработки метода учета явления последействия ФЭУ.

В полном объеме выполнил обработку и анализ лидарных данных, исследовал их особенности, провел сопоставление с ионосферными и спутниковыми данными. Готовил публикации полученных результатов.

Создание лидарной станции выполнено под методическим руководством Института оптики атмосферы СО РАН.

Апробация работы

Основные результаты работы, представленные в диссертации, докладывались на конференциях:

XII, XIV, XV, XVI, XII Объединенный Международный Симпозиум "Оптика Атмосферы и Океана. Физика Атмосферы". (Томск, 2005; Улан-Удэ, 2007; Красноярск, 2008; Томск, 2009; Томск, 2011);

IV, V международные конференции "Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений", Петропавловск-Камчатский, 2007,2010;

International Heliogeophysical Year 2007 "New insights into solar-terrestrial physics", Zvenigorod, Moscow region, 2007;

Шестая Международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли", С.-Петербург, 2008;

8-th Annual Meeting of the European Meteorological Society "7-th European Conference on applied Climatology", Netherlands, Amsterdam, 2008;

Committee of Space Research (COSPAR), Beijing, China, COSPAR 2006;

International Symposium of Atmospheric and Meteorological Sciences, Beijing, China, 2005;

ILRC25, 25 Международная конференция "Лазерные радары", С.-Петербург,

2010;

8-th International conference "Problems of Geocosmos", St.-Petersburg, 2010.

Публикации

В диссертации использованы материалы 8 статей, опубликованных в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах из списка ВАК, и 2 статей в Трудах конференций.

1. Полех Н.М., Пирог О.М. , Воейков С.В., Татаринов П.В. , Степанов А.Е., Бычков В.В., Думбрава З.Ф. Ионосферные возмущения в восточно-азиатском регионе во время геоактивного периода в ноябре 2004 г. // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. Т.46. № 5. - С. 1-11.

2. Shiokawa К., Otsuka Y., Nishitani N., Ogawa Т., Tsugawa Т., Smirnov S.E., Bychkov V. V. and Shevtsov B.M. Northeastward motion of nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances at middle latitudes observed by an airglow imager // J. Geophys. Res. -2008. - V. 113, A12312. doi:10.1023/2008JA013417.

3. Бычков B.B., Маричев B.H. Образование водных аэрозолей в верхней стратосфере в периоды зимнего аномального поглощения радиоволн в ионосфере // Оптика атмосферы и океана. - 2008. № 3. - С. 248-255.

4. Бычков В.В., Маричев В.Н, Пережогин А. С., Шевцов Б.М., Шумейко А.В. Динамика лидарных отражений в мезосфере Камчатки в период зимнего аномального поглощения радиоволн в ионосфере // Оптика атмосферы и океана. -2008. № 12.-С. 1083-1087.

5. Бычков В.В., Пережогин А.С., Шевцов Б.М., Маричев В.Н., Новиков П.В., Черемисин А.А. Учет импульсов последействия ФЭУ в лидарных сигналах средней атмосферы Камчатки // Оптика атмосферы и океана. - 2011. № 2. - С. 107111.

6. Shevtsov В.M., Bychkov V.V., Marichev V.N., Perezogin A.S., Shumeiko A. V. Stratospheric Aerosol Dynamics over Kamchatka and Its Association with Geophysical Processes //Geomagnetism and Aeronomy. - 2009. - V49, N 8. - P.1302-1304.

7. Бычков В.В., Пережогин А.С., Шевцов Б.М., Маричев В.Н., Новиков П.В., Черемисин А.А. Сезонные особенности появления аэрозоля в средней атмосфере Камчатки по результатам лидарных наблюдений 2007-2009 гг. // Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 2011. № 5. - С. 603-609.

8. Бычков В.В., Пережогин А.С., Пережогин Ал.С., Шевцов Б.М., Маричев В.Н., Матвиенко Г.Г., Белов А.С. Черемисин А.А. Лидарные наблюдения появления аэрозоля в средней атмосфере Камчатки в 2007-2011 г. // Оптика атмосферы и океана. - 2012. № 1. - С. 88-93

Сборники трудов конференций

9. Ким А.Г., Котович Г.В., Грозов В.П., Бычков В.В., Шумейко А.В. Применение современных технологий для обработки ионограмм вертикального зондирования камчатской Ионосферной Станции. Данные ионосферных наблюдений во время бури 7-11 ноября 2004 г.: VIII Конференция молодых ученых, БШФФ-2005. - Иркутск: Изд.-во ИОА СО РАН, 2005. - С. 86-88.

10. Бычков В.В., Пережогин А. С., Шевцов Б.М., Шумейко А.В. — Программный комплекс автоматизации лидарных измерений: Материалы межрегиональной научно-практической конференции "Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности", г. Хабаровск, 21-23 мая 2008 г. / Под научной ред. А.И. Мазура. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского государственного университета, 2008. - С. 272-276

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Бычков, Василий Валентинович

4.5 Основные результаты гл. 4

Показано, что наблюдавшиеся в стратосфере и мезосфере понижения температуры и увеличения содержания паров воды недостаточны для достижения точки росы.

При появлении аэрозольного рассеяния всегда наблюдалось понижение температуры в области слоя. Во время стратосферных потеплений обнаружены отрицательные корреляции между средним отношением рассеяния и средней температурой в области высот 50-72 км. В обычных условиях корреляции наблюдались в области высот 24-50 км.

Появление аэрозоля происходит не только во время стратосферных потеплений. Появление аэрозольного рассеяния, как правило, сопровождается аномальным поведением ионосферного параметра йшп, характеризующего поглощение радиоволн низкой частоты в ионосфере.

При появлении аэрозоля в области 60-75 км, как правило, регистрировались повышения потоков релятивистских электронов с энергией 92-526 кэВ на высоте 660 км, что может приводить к увеличению скорости ионизации на высотах 50-100 км. Наблюдавшиеся корреляции между рядами ночных 15-минутных значений йшп и средними по слою значениями отношения рассеяния Л в областях высот из интервала 60-75 км означают, что изменения йшп и формирование слоев с аэрозольным рассеянием могут иметь общей причиной высыпающиеся релятивистские электроны.

Результаты этой главы опубликованы в работах [72, 81, 82]

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Адаптирован метод коррекции лидарных сигналов для мезосферных высот с целью учета последействия ФЭУ, заключающийся в выделении экспоненты из сигнала в области высот ~ 90-150 км и вычитания ее из исходного сигнала во всей области высот. Использование этого метода для лидара с энергией излучения 0.4 Дж в импульсе, частотой 10 Гц, и зеркалом телескопа диаметром 0.6 м устраняет вклад импульсов последействия в области высот больше 60 км и обеспечивает восстановление профилей отношения рассеяния до 75-90 км при времени накопления сигналов около часа.

2. Выявлены сезонные особенности вертикальной стратификации аэрозоля в стратосфере и мезосфере Камчатки (30-80 км), заключающиеся в том, что появление аэрозольных слоев происходит в холодный сезон, с конца октября по март. За период с октября 2007 года по декабрь 2011 зарегистрировано около 50 случаев появления аэрозольных слоев в стратосфере, и столько же случаев появления их в мезосфере. В теплый сезон слабое аэрозольное рассеяние может наблюдаться в области 65-80 км. Среднестатистический профиль отношения рассеяния в мезосфере Камчатки имеет максимумы на высотах 65, 69 и 75 км;

3. Показано, что во время стратосферных потеплений среднее отношение рассеяния на мезосферных высотах (50-72 км) коррелирует с понижением средней температуры в этой области. Корреляций на стратосферных высотах (24-40 км) не наблюдается. В обычных условиях наблюдаются корреляции на стратосферных высотах (24-50 км) и слабые корреляции в мезосфере;

4. Обнаружены короткопериодные (15 минут) корреляции среднего по мезосферному слою отношения рассеяния с ионосферным параметром йпт, которые означают, что изменения йшп и формирование слоя с аэрозольным рассеянием могут иметь общую причину - высыпания релятивистских электронов из радиационного пояса Земли. Физический механизм образования оптически активной фракции аэрозольных частиц при возрастании ионизации и содержании паров воды, далеком от насыщения, неясен.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бычков, Василий Валентинович, 2012 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Ивлев Л. С., Довгалюк Ю. А. Физика атмосферных аэрозольных систем. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. - 194 с.

2. Hofman D.J., Rosen J.M. Balloon-borne particle counter observations of the EL Chichon aerosol layers in the 0.1-1.8 um radius range // Geophys. J. Int. - 1984. - V. 23,N2.-P. 155-185.

3. Hofman D.J., Rosen J.M., Gringel W. Delayed production of sulfuric acid condensation nuclei in the polar stratosphere from El Chichon volcanic vapors // J. Geophys. Res. -1985. - V. 90, N Dl. - P. 2341-2354.

4. Розенберг Г.В., Мельникова И.Г., Мегрелишвили Т.Г. Стратификация аэрозоля и ее изменчивость // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. -1982. № 4. -С. 363-372.

5. Gerding М., Baumgarten G., Blum U., Thayer J. P., Fricke K.-H. , Neuber R. and Fiedler J. Observation of an unusual mid-stratospheric aerosol layer in the Arctic: possible sources and implications for polar vortex dynamics // Annales Geophysicae. -2003.-V. 21.-P. 1057-1069.

6. Kirkwood S., Barabash V., Belova E., Nilsson H., Rao T.N., Stebel K., Osepian A., Chilson P. B. Polar mesosphere winter echoes during solar proton events I I Advanced in Polar Upper Atmosphere Research. - 2002. - V. 16. - P. 111-125.

7. Stebel K, Blum U., Fricke K.-H., Kirkwood S., Mitchel N. J. I, Osepian A. Joint radar-lidar observations of possible aerosol layers in the winter mesosphere // J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. - 2004. - V. 66, N 11. - P. 957-970.

8. Junge С. E., Manson J. E. Stratospheric aerosol studies // J. Geoph. Res. - 1961. -V. 66.-P. 2163-2182.

9. Креков Г.М., Звенигородский С.Г. Оптическая модель средней атмосферы. -Новосибирск: Наука, 1990. - 280 с.

10. Зуев В.В. Лидарный контроль стратосферы. - Новосибирск: Наука, 2004. - 306с.

11. Матешвили Г. Г., Матешвили Ю. Д., Мегрелишвилли Т. Г. Оптическая стратификация аэрозоля средней атмосферы / Оптика атмосферы и аэрозоля. - М.: Наука, 1986.-С. 133-147.

12. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. - М.: Мир, 1965. -424с.

13. Rosen J.M., Hofman D.J. On the background stratospheric aerosol layer // J. Atm. Sci. -1981.-V. 38. - P.168-181.

14. Ивлее Л. С. Структура аэрозолей в стратосфере / Параметризация некоторых видов непреднамеренного и направленного воздействия на атмосферу. - Л.: Изд-воЛПИ, 1984.-С. 74-89.

15. Креков Г. М, Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. - Новосибирск: Наука, 1982. - 198 с.

16. Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли / Под ред. Хмелевцова С.С. -Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -256 с.

17. Аура- http://avdc.gsfc.nasa.gov/index.php?site=2045907950.

18. Friedrich М., Rapp М. News from the Lower Ionosphere: A Review of Recent Developments // Surv. Geophys. - 2009. -V. 30. - P. 525-559.

19. Reid G.C. Ice clouds at the summer polar mesopause // J. Atm. Sci. - 1975. - V. 32. - P. 523-535.

20. Turco R.P., Toon O.B., Hamil P. et al. Effects of meteoric debris on stratospheric aerosol and gases // J. Geophys. Res. - 1981. - V. 86, N C2. - P. 1113-1128.

21. Tozer W.G., Beeson D.E. Optical model of noctilucent clouds based on polarimetric measurements from two sounding rocket campaigns // J. Geophys. Res. -1974. - V. 79. - P. 5607-5612.

22. Лебединец B.H. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-271 с.

23. Gambling D.J., Bartusek К., Elford W.G. A 12-month study of aerosol below 60 km // J. Atmos. Terr. Phys. - 1971. - V. 33. - P. 1403-1413.

24. Philip M.T., Kent G.S., Ottway M.T. Lidar observations of stratospheric aerosol layer over Kingston, Jamaica // J. Atmos. Sci. - 1985. - V. 42, N 9. - P. 967-974.

25. Ельников A.B., Креков Г.М., Маричев B.H. Лидарные наблюдения стратосферного аэрозоля над территорией Западной Сибири // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1988. № 8. - С. 818-823.

26. Маричев В.Н., Богданов В.В., Живетъев И. В., Шевцов Б.М.. Влияние геомагнитных возмущений на образование аэрозольных слоев в стратосфере // Геомагнетизм и аэрономия. - 2004. № 6. - С. 1-8.

27. Kent G.S., Wright R.W.H. A review of laser radar measurements of atmospheric properties // J. Atmos. Terr. Phys. - 1970. - V. 32, N 5. - P. 917-943.

28. Poultney S.K. Laser radar studies of upper atmosphere dust layers and the relation of temporary increases in the dust to cometary micrometeoroid streams // Space Res. -1972. -V. 12.-P. 403-421.

29. Межерис P. Лазерное дистанционное зондирование. - M.: Мир, 1987. - 550 с.

30. Отчет SEDAR - http://cedar-l.hao.ucar.edu/communitv/CLRVl.pdf

31. Baumgarten G., Fiedler J., G. von Cossart. The size of noctilucent cloud particles above ALOMAR (69N, 16E): Optical modeling and method description // Advances in Space Research. - 2007. - V. 40. - P. 772-784.

32. Бронштэн B.A. Серебристые облака и их наблюдение. - M.: Наука, 1984. -126 с.

33. Черемисин А.А., Границкий Л.В., Мясников В.М., Ветчинкин Н.В., Слабко В.В. Дистанционное зондирование в ультрафиолетовом диапазоне вертикального распределения озона и аэрозоля в верхней атмосфере с борта астрофизической станции Астрон // Оптика атмосферы и океана. - 1997. № 12. - С. 1415-1423.

34. Розенберг Г.В., Горчаков Г.И., Георгиевский Ю.С., Любовцева Ю.С. Оптические параметры атмосферного аэрозоля / Физика атмосферы и проблемы климата / Ред. Голицын Г.С. - М.: Наука, 1980. - С. 216-256.

35. Кондратьев К.Я., Бузников А.А., Покровский О.М. Определение вертикальных профилей аэрозоля в атмосфере по результатам спектрофотометрирования сумеречного горизонта Земли с космического корабля Союз-13 // ДАН СССР. -1977. № 1.-С. 53-56.

36. Розенберг Г.В., Сандомирский А.Б. Оптическая стратификация атмосферного аэрозоля // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. - 1971. № 7. - С. 737749.

37. Микиров А.Е., Смеркалов В.А. Исследование рассеянного излучения верхней атмосферы Земли. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 208 с.

38. Rôssler F. Aerosol layers in the atmosphere // Space Res. - 1972. - V. 12. - P. 423-431.

39. Кузнецов Г.И., Ситник Г.Ф., Чижов А.Ф., Штырков О.В. Некоторые оптические характеристики атмосферы, полученные с помощью метеоракет MP-12 и MP-100 // Метеорологические исследования. - 1977. № 23. - С. 21-29.

40. Розенберг Г.В., Микиртумова Г.Г. Замутненность атмосферы по данным сумеречного зондирования // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. -1976. № 10.-С. 1024-1033.

41. Farlow N.H., Ferry G. V. Cosmic dust in the mesosphere // Space Res. - 1972. -V. 12. -P. 369-380.

42. Danielsen E.F. Trajectories of the Mount St. Helens eruption plume I I Science. - 1981. -V. 211,N4484.-P. 819-821.

43. Кошелев В. В., Климов Н. Н., Сутырин Н. А. Аэрономия мезосферы и нижней термосферы. -М.: Наука, 1983. - 183 с.

44. Данилов А. Д., Ледомская С. Ю. Зимняя аномалия области D - агрономический и метеорологический аспекты // Геомагнетизм и аэрономия. -1979. № 6. - С. 961980.

45. Widdel H.U., Rose G., Spenner К., Freidrich M. and Torkar К. M. Electron densities during winter anomalous absorption on different intensities observed at 37.IN, 6.73W, during winter 1975/1976-1 // J. Atmos. Terr. Phys. - 1979. V. 41, N 10/11. - P. 11051119.

46. Becker M., Bate J., Papanikas D.J., Frederick V. H., Offerman D. and Thrane E. V. Density and temperature profiles measured in the mesosphere and lower thermosphere during winter anomaly conditions I I J. Atmos. Terr. Phys. - 1979. - V. 41, N 10/11. - P. 1075-1083.

47. Beran D., Bangert W. Trace constituents in the mesosphere and lower thermosphere during winter anomaly events // J. Atmos. Terr. Phys. - 1979. - V. 41, N 10/11. - P. 1091-1095.

48. Arnold F, Krasnovsky D. Mid-latitude lower ionosphere structure and composition measurements during winter 11 J. Atmos. Terr. Phys. - 1979. - V. 41, N 10/11. - P. 1027-1140.

49. Labiyzke K. and Petzoldt K. Planetary waves in the strato- and mesosphere during the Western European Winter Anomaly Compaign 1975/1976 and their relation to ionospheric absorption // J. Atmos. Terr. Phys. - 1979. - V. 41, N 10/11. - P. 11491161.

50. Offerman D., Curtis P., Cisneros I.M. Atmospheric temperature structure during the Western European Anomaly Campaign 1975/1976 I I J. Atmos. Terr. Phys. - 1979. - V. 41,N10/11.-P. 1051-1062.

51. Ebel A. Eddy diffusion models for mesospheric and lower thermosphere // J. Atmos. and Terr. Phys. - 1980. -V. 42, N 7. - P. 617-628.

52. Rees D., Barnett J.J., Labitzke K. CIRA 1986, Part II Middle Atmosphere Models // Advances in Space Research (COSPAR). - 1990. - V. 10, N 12.

53. Picone J. M., Hedin A. E., Drob D. P., Aikin A. C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. - 2002. - V. 107, N A12. - P. 1468-1483.

54. Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности: Материалы межрегиональной научно-практической конференции (Хабаровск, 21-23 мая 2008 г.) / Под научной ред. А.И. Мазура. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского государственного университета, 2008. - С. 272-276.

55. Sounding - http://weather.uwyo.edu/upperair /sounding.html

56. BADC - http://badc.nerc.ac.uk/home/

57. Астрофизика и физика околоземного космического пространства: VIII научная конференция молодых ученых БШФФ-2005. - Иркутск: Изд-во ИСЗФ СО РАН,

2005. - С. 86-88.

58. Полех Н.М., Пирог О.М., Воейков С.В., Татаринов П.В., Степанов А.Е., Бычков В.В., Думбрава 3. Ф. Ионосферные возмущения в восточно-азиатском регионе во время геоактивного периода в ноябре 2004 г. // Геомагнетизм и аэрономия. -

2006. №5.-С. 1-11.

59. Shiokawa К., Otsuka Y., Nishitani N., Ogawa Т., Tsugawa Т., Smirnow S. E., Bychkov V. V. and Shevtsov В. M. Northeastward motion of nighttime medium-scale traveling ionospheric disturbances at middle latitudes observed by an airglow imager // J. Geophys. Res. - 2008. -V. 113, A12312. doi:10.1023/2008JA013417.

60. Ельников A.B., Зуев B.B., Маричев B.H. Влияние и учет импульсов последействия ФЭУ в лидарных сигналах аэрозольного и молекулярного рассеяния // Оптика атмосферы. - 1991. № 2. - С. 201-209.

61. Маричев В.Н., Ельников А.В. О методе лазерного зондирования атмосферного озона на длинах волн 308 и 532 нм // Оптика атмосферы. - 1988. № 5. - С. 77-83.

62. Голъданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отчетов при регистрации ядерных частиц.- М.: Физматгиз, 1959. - 412 с.

63. Бычков В. В., Пережогин А. С. , Шевцов Б. М. , Маричев В.Н., Новиков П.В., Черемисин А.А. Учет импульсов последействия ФЭУ в лидарных сигналах средней атмосферы Камчатки // Оптика атмосферы и океана. - 2011. № 2. - С. 107111.

64. Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений: Доклады V международной конференции (с. Паратунка, Камчатский край, 2-7 августа 2010 г.) - Петропавловск-Камчатский: Центр оперативной полиграфии, 2010. - С. 259261.

65. Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений: Доклады V международной конференции (с. Паратунка, Камчатский край, 2-7 августа 2010 г.) - Петропавловск-Камчатский: Центр оперативной полиграфии, 2010. - С. 261265

66. Cheremisin A., Granitskii L., Myasnikov V., Vetchinkin N. Improved aerosol scattering in the upper atmosphere according to data of ultraviolet observations from space, with instrumental smoothing taken into account // Proc. SPIE - 2000. - V. 4341. - P. 383389.

67. Cheremisin A.A., Vasilyev Yu.V., Horvath H. Gravito-photophoresis and aerosol stratification in the atmosphere // J. Aerosol Sci. - 2005. - V. 36, N 11. - P. 1277-1299.

68. Zeller O., Zecha M., Bremer J., Latteck R., Singer W. Mean characteristics of mesosphere winter echoes at mid- and high-latitudes // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. -2006.-V. 68.-P. 1087-1104.

69. Harvey L., Pierce R. В., Fairlie T. D., Hitchman M. H. A climatology of stratospheric polar vortices and anticyclones // J. Geophys. Res. - 2002. - V. 107, N D20. - P. 44424464.

70. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Труды 16-го международного симпозиума. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2009. - С. 622-626.

71. Hunten D.J, Turco R.P., Toon O.B. Smoke and dust particles of meteoric origin in the mesosphere and thermosphere // J. Atmos. Sci. - V. 37. - P. 1342-1357.

72. Бычков В.В., Маричев В.Н. Образование водных аэрозолей в верхней стратосфере в периоды зимнего аномального поглощения радиоволн в ионосфере // Оптика атмосферы и океана. - 2008. № 3. - С. 248-255.

73. Бычков В. В., Маричев В.Н, Пережогин А. С., Шевцов Б. М., Шумейко А. В. Динамика лидарных отражений в мезосфере Камчатки в период зимнего аномального поглощения радиоволн в ионосфере // Оптика атмосферы и океана. -2008. № 12. - С. 1083-1087.

74. Бычков В. В., Пережогин А. С., Шевцов Б. М. , Маричев В.Н., Новиков П.В., Черемисин А.А. Сезонные особенности появления аэрозолей в средней атмосфере Камчатки по результатам лидарных наблюдений 2007-2009 г. // Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 2011. № 5. - С. 603-609.

75. Деметер - http://demeter.cnrs-orleans.fr

76. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 649 с.

77. Омхольт А. Полярные сияния. - М.: Мир, 1974. - 248 с.

78. Деминов М.Г. Ионосфера Земли / Плазменная гелиоигеофизика / Под ред. академика РАН Зеленого Л.М. и д.ф.-м.н. Веселовского И.С. - М.: Физматлит, 2008. - Т.2. - 559 с.

79. Vanhellemont F., Fussen D., and Bingen C. Cosmic rays and stratospheric aérosols: Evidence for a connection? // Geophys. Res. Lett. - 2002. - V. 29, N 15. doi: 10.1029/2002GL015567.

80. Криволуцкий A.A., Репнев А.И. Воздействие космических факторов на озоносферу Земли. - М.: ГЕОС, 2009. - 382 с.

81. Shevtsov В.M., Bychkov V.V., Marichev V.N., Perezogin A.S., Shumeiko A.V. Stratospheric Aérosol Dynamics over Kamchatka and Its Association with Geophysical Processes // Geomagnetism and Aeronomy. -2009. - V. 49, N 8. - P. 1302-1304.

82. Бычков В.В., Пережогин А.С., Пережогин А.С., Шевцов Б.М., Маричев В.Н., Матвиенко Г.Г., Белов А. С. Черемисин А.А. Лидарные наблюдения появления аэрозолей в средней атмосфере Камчатки в 2007-2011 г. // Оптика атмосферы и океана. - 2012. № 1. - С. 88-93.

83. Скрябин Н. Г. Возможный физико-химический усилительный механизм солнечно-земных связей // Препринт ИКФИА СО РАН. - 1980. 25с.

Приложение 1. Статистическое обоснование корреляций

1. Связь появления аэрозоля с температурой стратосферы в обычные дни. Область корреляций 24-50 км

Использованы лидарные данные зимнего сезона с 2007 по 2011 г. за период ноябрь-февраль, полученные в обычных условиях. Всего исследуются профили отношения рассеяния за 24 дня, в соответствии с таблицей 3. Значения температуры по всем дням получены по результатам измерений со спутника Аура. Профили отношения рассеяния за эти дни приведены в Приложении 2.

Таблица 3.

Даты наблюдения аэрозоля в обычные дни.

2007 2008 2009 2010 2011

Февраль 8,11,12, 19 6 1,11,18,21,23 12

Ноябрь 5,13, 23, 24 2,10,11,15 5

Декабрь 4, 14 24 23

Коэффициент корреляции между средней температурой в области высот 24-50 км и средним отношением рассеяния в этой же области равен -0.749. В связи с небольшим количеством дней, имевшихся для исследования, далее проводится обоснование статистической значимости результата. Обозначим средние данные температуры за X, данные среднего отношения рассеяния за Y.

Имеем исходные данные: X - {232.730; 232.449; 238.602; 239.386; 223.003; 222.803; 228.649; 234.149; 234.702; 232.816; 233.382; 232.664; 235.171; 227.591; 230.385; 233.779; 229.602; 229.304; 228.767; 223.240; 224.754; 224.97}

Y = {1.046; 1.225; 1.115; 1.0234; 1.358; 1.392; 1.183; 1.174; 1.172; 1.0453; 1.039; 1.032; 1.0325; 1.151; 1.105; 1.180; 1.129; 1.089; 1.126; 1.294; 1.210; 1.219; 1.124; 1.255}

Размерность данных п = 24. Математическое ожидание и дисперсия для X и Y: МХ= 230.27 , DX = 22.27252, MY = 1.154934, DY = 0.009844. Коэффициент корреляции Гху = -0.749.

Табличное значение распределения Стьюдента при уровне значимости 0.1 и n=24 Tt(0.1, n-2) ~ 1.717. Рассчитанное по имеющимся данным значение Тп =

^•((п-^УО- Гху2))1/2 ~ -5.318. Поскольку |Т„| > Т4, можно сделать вывод о том, что значение гху статистически значимо и 90% доверительный интервал для Гху имеет значения:

(Гху - Тг(1- %2)/пш, % + Т('(1- гху2)/п1/2 ) я {-0.597; - 0.903}.

Уравнение регрессии У на X имеет вид:

у - МУ = (Б УДЭХ)°5 (х-МХ), или у = -0.01574х + 4.7786.

На рисунке 36а приведены значения массивов X, У и линия регрессии У на X с ошибкой в стандартное отклонение, определяемое как о = (£(у-У02/(п-2))°5.

2. Связь появления аэрозоля с температурой мезосферы во время стратосферных потеплений. Область корреляций 50-72 км

Использованы лидарные данные зимних сезонов 2007-2011г., полученные во время стратосферных потеплений в период ноябрь - февраль. Всего имеются профили за 25 дней в соответствии с таблицей 4. Корреляции рассматривались в области высот 50-72 км.

Таблица 4.

Даты наблюдения аэрозоля во время стратосферных потеплений.

2007 2008 2009 2010 2011

Январь 18,20,23,24

Февраль 4.6,7,22,23

Ноябрь 23, 26 1,8,13,19,20

Декабрь 24,26,27,28, 29 7 2,3,18

Исходные данные (Х-температура, Y - отношение рассеяния): X = {215.08; 217.793; 213.312; 214.533; 211.508; 228.387; 213.332; 220.935; 219.662; 232.05; 227.916; 211.129; 225.948; 224.722; 230.345; 219.467; 219.122; 212.782; 215.531; 210.897; 217.597; 215.589; 223.39; 222.536; 217.36}

У - {1.063; 1.070; 1.075; 1.084; 1.090; 1.035; 1.132; 1.083; 1.049; 0.993; 1.021; 1.118; 1.058; 1.038; 1.050; 1.059; 1.031; 1.160; 1.120; 1.141; 1.012; 1.062; 1.038; 1.058; 1.019}

Размерность данных п = 25.

Математическое ожидание и дисперсия для X и У: МХ= 219.24, БХ = 38.78857, МУ = 1.066404, ОУ = 0.001702. Коэффициент корреляции Гху = -0.71.

Табличное значение распределения Стъюдента при уровне значимости 0.1 и п=25 Т((0.05, п-2) ~ 1.714. Рассчитанное по имеющимся данным значение Тп = ^•((п-гуа- гху2))1/2 ~ -5.11. Поскольку |Т„| > Т„ можно сделать вывод о том, что значение % статистически значимо и 90% доверительный интервал для г^ имеет значения:

Значения массивов X, У и линия регрессии У на X с ошибкой в

(Гху - Т4-(1- гху2)/п1/2, % + 1У(1- Гху2)/п1/2) « {-0.54; -0.88}.

Уравнение регрессии У на X имеет вид:

у - МУ = Гху-(ОУЯ)Х)0 5(х-МХ), или у = -0.0047х +2.097

стандартное отклонение, определяемое как о = (2(у-У02/(п-2) )05, приведены на

рисунке 366.

г*

а

Регрессия R на Т в стратосфере в обычные дни

И

б Регрессия Р на Т

в мезосфере во время стратосферных потеплений

0.8

0.8

220

230

240 ТК

215

225

235

Т К

Рис. 36. Линия регрессии средней температуры на среднее отношение рассеяния по обычным дням лидарных наблюдений в области 24-50 км (а), и в дни стратосферных потеплений в области 50-72 км (б).

3. Связь среднего по слою отношения рассеяния с ионосферным параметром йпш. Данные за 18 января 2008 г.

Исходные данные за 18 января 2008г.: Х= {1.44; 1.48; 1.47; 1.51;1.63; 1.55; 1.52; 1.49; 1.51; 1.66; 1.55; 1.37; 1.31; 1.36; 1.39; 1.41}

У = {1.18; 1.21; 1.17; 1.22; 1.24; 1.27; 1.30; 1.29; 1.33; 1.30; 1.28; 1.20; 1.18; 1.17; 1.17; 1.17},

где X - значения йшп, У - среднее значение И. в интервале высот 64.5 - 69 км. Математическое ожидание и дисперсия для X и У: МХ= 1.48, БХ = 0.0085219, МУ = 1.23, БУ = 0.0030991. Размерность данных п = 16. Коэффициент корреляции Гху = 0.714.

Табличное значение распределения Стьюдента при уровне значимости 0.1 и

п=16 Т4(0.05, п-2) = 1.761. Рассчитанное по имеющимся данным значение Тп =

2 1/2

гху-((п-2)/(1- гху)) ~ 3.815. Поскольку |ТП| > Ть можно сделать вывод о том, что значение % статистически значимо и 90% доверительный интервал для г^ имеет значения:

- Т\-(1- гху2)/п1/2, % + ТД1- гху2)/п1/2)« {0.5; 0.93}.

Уравнение регрессии У на X имеет вид:

у - МУ = Гху-фУЛЖ)0 5(х-МХ), или у = 0.4307х+ 0.59.

На рисунке 43 а приведены значения массивов X, У и линия регрессии У на X с ошибкой в стандартное отклонение, определяемое как а = (£(у-У02/(п-2) )°5-

3. Связь среднего по слою отношения рассеяния с ионосферным параметром йпш. Данные за 23 января 2008 г.

Обозначим за X значения йшп, за У - среднее значение Ы в интервале высот 60-64.5 км. Исходные данные за 23 января 2008г.:

X = {1.83; 1.875; 1.815; 1.77; 1.805; 1.745; 1.545; 1.52; 1.585; 1.52; 1.475; 1.52; 1.595; 1.625; 1.485; 1.36}

У = {1.418; 1.411; 1.408; 1.400; 1.422; 1.412; 1.391; 1.379; 1.395; 1.411; 1.395; 1.399; 1.386; 1.385; 1.362; 1.364}

Математическое ожидание и дисперсия для X и У: МХ= 1.629, БХ = 0.0226527, МУ = 1.396, БУ = 0.0003018.

Размерность данных п = 16. Коэффициент корреляции Гху = 0.77.

Табличное значение распределения Стьюдента при уровне значимости 0.1 и п=16 Т{(0.05, п-2) = 1.761. Рассчитанное по имеющимся данным значение Тп = т^{(п-2)/(\- гху2))1/2 ~ 4.516. Поскольку |ТП| > Т(, можно сделать вывод о том, что значение г,^ статистически значимо и 90% доверительный интервал для г^ имеет значения:

(гху - Т{-(1-гху2)/п1/2, % + Т{-(1-Гху2)/п1/2 ) = {0.59; 0.95}.

Уравнение регрессии У на X имеет вид:

у - МУ - г^• (БУ/БХ)0 5(х-МХ), или у = 0.0889х + 1.2513.

На рисунке 436 приведены значения массивов X, У и линия регрессии У на

X с ошибкой в стандартное отклонение, определяемое как о = (Х(у-У;)2/(п-2))°5.

а Регрессия Я на Лгмп по б Регрессия Я на Лпт по

данным за 18.01.2008. р данным за 23.01.2008.

1.3 1.4 1.5 1.6 Лгяп 1.3 1.6 1.9

Рис. 43. Линия регрессии среднего отношения рассеяния на ионосферный параметр йшп по данным за 18.01.2008 в области 64.5-69 км, и по данным за 23.01.2008 в области 60-64.5 км.