Сезонная и межгодовая изменчивость активности внутренних гравитационных волн по наблюдениям ночных свечений в области мезопаузы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Попов Андрей Алексеевич
Попов Андрей Алексеевич
кандидат наук
2023
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 207
Оглавление диссертации кандидат наук Попов Андрей Алексеевич
Введение
Глава 1. Мезомасштабные волны и вариации ночных свечений
1.1 Внутренние гравитационные волны
1.2 Оптические методы исследования характеристик ВГВ
1.2.1 Спектрофотометрическая аппаратура
1.2.2 Дифракционный спектрограф СП-50
1.2.3 Спектральный прибор SATI (the Spectral Airglow Temperature Imager)
1.3 Результаты исследований ВГВ в верхней атмосфере
1.4. Выводы из гл
Глава 2. Сезонная и межгодовая изменчивость мезомасштабных волн
2.1 Пункты наблюдений ночных свечений
2.2 Методы статистической обработки данных
2.2.1 Разности усредненных измеряемых характеристик
2.2.2 Разности регистрируемых характеристик
2.3 Исключение ошибок инструментальной и атмосферной природы
2.3.1 Инструментальный шум
2.3.2 Полный некогерентный шум
2.4 Сезонные вариации ВГВ
2.4.1 Сезонные вариации по данным SATI
2.4.2 Сезонные вариации на российских станциях
2.4.3 Коррекция некогерентного шума
2.5 Межгодовые изменения ВГВ
2.5.1. Междугодовые изменения по данным SATI
2.5.2. Междугодовые изменения на российских станциях
2.5.3 Коррекция междугодовых изменений
2.6 Выводы из гл
Глава 3. Численное моделирование сезонных изменений ВГВ
3.1 Описание численной модели
3.1.1. Уравнение баланса волновой энергии
3.1.2. Плоские спектральные моды ВГВ
3.1.3 Случайные волновые источники
3.2 Фоновые поля температуры и ветра
3.3 Результаты численного моделирования параметров ВГВ
3.4 Сопоставление с экспериментом
3.5. Выводы из гл
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные публикации по теме диссертации
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Фотометрические исследования орографического эффекта в верхней атмосфере по ее собственному излучению1999 год, кандидат физико-математических наук Суходоев, Владимир Алексеевич
Исследование вариаций температуры и состава малых газовых компонентов ночной мезопаузы по излучению молекул гидроксила2004 год, кандидат физико-математических наук Баканас, Владимир Викторович
Исследование волновых процессов в области высокоширотной мезопаузы по излучению молекул гидроксила и кислорода2017 год, кандидат наук Колтовской, Игорь Иннокентьевич
Метод анализа пространственных вариаций интенсивности свечения верхней атмосферы, регистрируемых цифровыми широкоугольными камерами2022 год, кандидат наук Сыренова Татьяна Евгеньевна
Исследование активности внутренних гравитационных и приливных волн в области мезопаузы по данным высокоширотных наблюдений в Восточной Сибири2022 год, кандидат наук Сивцева Вера Исаевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сезонная и межгодовая изменчивость активности внутренних гравитационных волн по наблюдениям ночных свечений в области мезопаузы»
Введение Актуальность темы.
Большое влияние на термодинамический режим всей атмосферы оказывают волновые процессы различных масштабов. Атмосферные волны от гравитационных до планетарных способны распространяться до верхних слоев атмосферы и переносить энергию и импульс, оказывая воздействие на формирование климатических изменений. Турбулентность, тесно взаимодействуя с атмосферными волнами, создает вертикальные тепловые и диффузионные потоки. Источниками волн могут, в частности, служить различные турбулентные и метеорологические процессы, происходящие в областях нижней атмосферы. Распространяясь вверх, волны диссипируют в областях мезосферы и термосферы, передавая энергию окружающей среде и тем самым разогревая ее.
Распространении внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере сопровождается вариациями плотности, температуры и скорости ветра, которые влияют на скорости фотохимических реакций и на характеристики ночных свечений верхней атмосферы. На высотах мезосферы и нижней термосферы (МНТ) для изучения волн используются различные наземные и спутниковые методы наблюдения атмосферных параметров. Измерение интенсивности и вращательной температуры свечений ночного неба является одним из способов мониторинга термодинамического режима и состава верхней атмосферы. Исследование сезонных и долговременных изменений характеристик ВГВ по наблюдениям вариаций ночных свечений затруднено изменениями длительности ночей в течение года и наличием частых перерывов в измерениях из-за плохих погодных условий. Это может сильно искажать параметры, получаемые с помощью обычных методов спектрального и гармонического анализа.
Изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы Земли и влияние взаимодействий на эти слои, является одной из важнейших фундаментальных задач геофизики. Последние годы и десятилетия характеризуются мощным развитием аэрокосмических и наземных систем наблюдения за состоянием и динамикой атмосферы на различных высотах. Идет накопление новых данных измерений, требующих дальнейшего осмысления, обработки и интерпретации. На основе имеющегося материала измерений разрабатываются глобальные эмпирические, полуэмпирические и численные модели динамики атмосферных характеристик, учитывающие временную и пространственную изменчивость метеорологических полей.
В данной работе исследуются сезонные и межгодовые вариации мезомасштабных возмущений, происходящие в области ночных свечений МНТ, а также анализируется их связь с ВГВ, распространяющимися из нижней атмосферы. Работа посвящена разработке и применению простых численных разностных фильтров, дающих устойчивые спектральные характеристики при малых длительностях анализируемых реализаций (от 0.5 до 2 ч). Разработаны два вида разностных фильтров, отличающихся методами осреднения регистрируемых значений вращательной температуры гидроксила в области мезопаузы. Статистический анализ получаемых структурных функций поля температуры позволил оценить и исключить случайный некогерентный шум инструментальной и турбулентной природы.
Актуальность этих исследований подтверждается их включением в последние годы во все международные программы исследований динамики и климата средней и верхней атмосферы.
Цели работы.
Целью данной работы является исследование мезомасштабных волн в области МНТ. Для этого были поставлены следующие задачи:
1.Анализ многолетних данных о вариациях ночного свечения гидроксила (ОН) в области мезопаузы с целью получения информации о внутренних гравитационных волнах (ВГВ), распространяющихся через эмиссионые слои.
2.Исследование сезонных и межгодовых изменений мезомасштабных возмущений и характеристик ВГВ на сети станций наблюдений ночной эмиссии ОН. Исключение некогерентного во времени шума инструментальной и турбулентной природы для уточнения информации о когерентной волновой составляющей.
З.Численное моделирование распространения спектра ВГВ в фоновых полях температуры и ветра, соответствующих станциям оптических наблюдений с целью интерпретации наблюдений волновых вариаций ночного свечения ОН.
Научная новизна.
Метод цифровых и разностных фильтров был впервые адаптирован и применен для анализа мезомасштабных возмущений ночных свечений. Впервые разработана и применена статистическая процедура оценки и исключения некогерентного шума инструментальной и турбулентной природы из экспериментальных стандартных отклонений вращательной температуры ОН.
Был исследован большой массив данных оптических наблюдений ночной эмиссии ОН в области МНТ и получены новые данные о сезонных и межгодовых изменениях мезомасштабных возмущений с временными масштабами 0.7 - 11 ч и характеристик ВГВ на различных станциях наблюдений.
Усовершенствованная численныя модель распространения спектра волновых мод ВГВ была впервые применена для расчета волнового шума на сети станций наблюдений ночной эмиссии ОН. Получены новые данные о
влиянии фоновых профилей ветра и температуры на волновую возмущенность в области МНТ в различных географических пунктах.
Достоверность полученных результатов основана на использовании большого массива многолетних экспериментальных данных с различных пунктов наблюдений ночной эмиссии гидроксила. Использованы физически и математически обоснованные методы статистической обработки данных и численного гидродинамического моделирования распространения ВГВ. Выполнено сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования ВГВ.
Научная и практическая ценность работы.
В данной работе проанализированы многолетние данные о вращательной температуре ОН в области мезопаузы. Результаты позволили изучить сезонные и межгодовые изменения мезомасштабных возмущений температуры и характеристик ВГВ в области МНТ. Полученные результаты возможно применить для уточнения моделей климата и динамики атмосферы.
Разработанные методы анализа экспериментальных данных и численного моделирования могут быть использованы для исследования данных о волновых вариациях на широкой международной сети наблюдений ночных свечений в области МНТ и о вращательной температуре в любых пунктах наблюдения.
Личный вклад автора.
Автором была разработана и применена методика, основанная на цифровых разностных фильтрах и позволяющая исследовать сезонные и межгодовые вариации мезомастштабных волновых вариациях ночной эмиссии ОН в области МНТ. Диссертантом были обработаны и проанализированы многолетние данные с разных станций.
Автор принял участие в модификации численной модели для расчета спектра волновых мод ВГВ, подготовил вычислительные программы, а также выполнил расчеты характеристик ВГВ на различных станциях.
При подготовке статей с соавторами, диссертанту принадлежит основная роль в выполнении расчетов, анализе результатов и формулировке выводов, а также в подготовке текста и рисунков.
Защищаемые положения.
На защиту выносятся следующие положения:
1) По результатам определения характеристик мезомасштабных ВГВ в области мезопаузы была обнаружена тенденция к формированию максимумов амплитуд в весенние, летние и осенние месяцы наблюдений.
2) Исключение некогерентного шума инструментальной и атмосферной природы приводит к уменьшению измеряемых амплитуд ВГВ на 10 -20 % без существенных изменений в характере их сезонных вариаций. Также, исключение шума улучшает выявление межгодовых изменений интенсивности мезомасштабных вариаций ночной эмиссии гидроксила и характеристик ВГВ.
3) По результатам численного моделирования распространения спектра ВГВ и сравнения с результатами оптических наблюдений в МНТ области установлено, что интенсивность мезомасштабных возмущений вращательной температуры ОН вблизи мезопаузы может быть связана с интенсивностью ВГВ, распространяющихся из нижней атмосферы, и зависит от профилей фоновых характеристик средней атмосферы на пути распространения волновых пакетов в разных географических пунктах и в разные месяцы года.
Апробация работы.
Результаты исследований докладывались на Российских и международных симпозиумах и конференциях: VI международная конференция «Atmosphere, Ionosphere, Safety» (Калининград, 2018), Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика» (Санкт-Петербург, 2019), Всероссийская научная конференция с международным участием «Земля и Космос» к столетию академика РАН К. Я. Кондратьева (Санкт-Петербург, 2020), EGU General Assembly 2021 Vienna, 13-ая школа конференция «Проблемы Геокосмоса» (Санкт-Петербург, 2021), Всероссийская конференция с международным участием «Собственное излучение, структура и динамика средней и верхней атмосферы» посвященная памяти А. И. Семенова и Н. Н. Шефова (Москва, 2021).
Отдельные аспекты работы, положенные в основу диссертации, прошли экспертизу и были поддержаны грантами РФФИ № 19-35-90130, 17-05-0458, 20-77-10006.
Публикации.
Основные результаты работы опубликованы в 12 печатных работах. (см. Заключение)
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Содержит 109 страниц, включая 30 рисунков, 4 таблицы и библиографию из 104 наименований
Содержание работы.
Во введении описаны актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, описаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов, отмечены достоверность и личный вклад автора, сформулированы положения, выносимые на защиту и кратко изложено содержание работы.
В первой главе представлено краткое описание свойств атмосферных ВГВ. Приведены особенности их формирования и распространения, а также их влияние на общую динамику атмосферы. Представлено краткое описание различных методов исследования характеристик области МНТ и результаты наблюдений.
Во второй главе дается описание использованных в диссертации данных о ночной эмиссии гидроксила. Описаны примененные в работе метод численной разностной фильтрации данных, а также метод статистического исключения некогерентного шума инструментальной и атмосферной природы. На рисунках представлены полученные результаты о сезонных и многолетних изменениях интенсивности мезомасштабных возмущений вращательной температуры ОН и характеристик ВГВ.
В третей главе приводится описание модернизированной численной модели распространения спектра волновых мод ВГВ, а также использованных фоновых полей ветра и температуры которые соответствуют координатам различных пунктов наблюдений ночной эмиссии ОН. Приводятся результаты численного моделирования и произведено сравнение полученных результатов с результатами оптических наблюдений мезомасштабных возмущений ночной эмиссии ОН и характеристик ВГВ в области МНТ.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Глава 1. Мезомасштабные волны и вариации ночных свечений.
В этой главе проведен анализ литературных данных о природе внутренних гравитационных волн (ВГВ), а также оптических методах их наблюдения, используемых в работе.
1.1 Внутренние гравитационные волны.
Атмосферные волны, которые называются внутренними гравитационными, обусловлены действием архимедовых сил плавучести в атмосфере с переменной по высоте плотностью. Такие волны могут распространяться как по горизонтали, так и по вертикали. ВГВ могут проникать в верхние слои атмосферы. Периоды ВГВ превышают некоторый минимальный предел - период Бранта-Вяисяля т^, который определяется по формуле [Hines, 1974]:
где - у = — = 1.4 отношение теплоемкостей, k - постоянная
Су
Больцмана, Т - температура, М - молекулярная масса, тн - масса атома водорода, g - ускорение свободного падения, Н - высота однородной атмосферы.
Распространение волны с периодом т происходит в направлении, зенитный угол в которого определяется соотношением.
(1.1)
а
сОБ9 = —
(1.2)
Для ВГВ существует дисперсионное соотношение, которое связывает частоту и волновые числа следующим образом ^аугПоу, 2010],
ЛГ2 2 2 2 2 N -Ш 2 Ш - ® т = —~-?т- к -
2 г2 2 ' с - f c
(1.4)
Где,
N = (g/a/To)l/2; Ca2 = c2/4H2; (1.5)
N - частота Брента-Вяисяля для изотермической атмосферы, / = g/cp -сухоадиабатический градиент температуры, с - скорость звука, f - параметр Кориолиса.
Вертикальная компонента фазовой скорости ВГВ cfz = o/m, где o -наблюдаемая частота. Для вертикальной компоненты групповой скорости ВГВ cgz, которая описывают распространение энергии волны, из (1.4) можно получить следующее выражение [Gavrilov, 2010]:
de
cm -
gz dm
с
m
(1- f 2/с2) m2c2
(m2+k2)c2+f 2C-2с2 '
(1.6)
В случае ff2 << со2 << N2 и m2 >> 1/(4H2) из (1.6) получается обычное отношение cgz=-c/m. Сравнение (1.6) с выражением для фазовой скорости cfz = e/m показывает, что и cgz и cfz имеют противоположные знаки при с > 0 и одинаковые знаки в случае с < 0. Это означает, что для ВГВ, имеющих с >
0, нисходящее распространение фазы соответствует восходящему потоку волновой энергии. Для ВГВ с с <0 нисходящее распространение фазы соответствует нисходящему потоку энергии. Можно ожидать увеличения отрицательных значений с при возрастании скорости среднего ветра. Оценки на основе данных измерений МСТ радаром на высотах 70 - 75 км показал, что несмотря на большие значения среднего ветра (до 60 - 80 м/с зимой и 40 - 50 м/с летом) доли гармоник ВГВ с с < 0 малы (приблизительно 5 %) среди всех зарегистрированных ВГВ.^аугПоу, 2012]
ВГВ имеют не только частотную, но также и пространственную дисперсию. Направления их фазовой и групповой скоростей могут быть различны. В частности, для низкочастотных ВГВ с с2 << К2 групповая скорость направлена под очень маленьким углом к горизонту (а^т (ю№)), в то время как фазовая скорость направлена перпендикулярно групповой скорости - почти вертикально.
В начале 60-ых был обнаружена связь колебаний в верхней атмосфере с прохождением ВГВ в этих слоях. Наземные взрывы приводили к возникновению мощных возмущений в верхних слоях атмосферы. Появилось предположение, что источниками ВГВ могут служить также различные метеорологические и турбулентные процессы на границы тропосферы. Изначально для регистрации ВГВ использовался метод наблюдения серебристых облаков. При помощи данного метода можно было регистрировать ВГВ с малыми периодами и скоростями. (Бронштейн, Гришин 1970; Фогл 1975). По мере прохождения ВГВ вверх, амплитуда волны возрастает, на высотах от 80 км ВГВ поглощаются, вызывая в области поглощения разогревание, в дополнение к создаваемому солнечной радиацией. При прохождении через излучающие слои наблюдались слабые вариации интенсивности и температуры окружающей среды (Красовский и др. 1978; Красовский, Шефов 1976, Шагаев ) Более быстрые и
длиннопериодные волны с размерами более 100 км и скоростями, превышающими 100 м/с, были обнаружены с помощью радиофизических методов, реализуемых одновременно в нескольких удаленных друг от друга пунктах. При этом особенно эффективной оказалась регистрация радиосигналов с геостационарных спутников [Vasseur et al., 1972; Bertin et al., 1978].
Механизмы генерации ВГВ достаточно разнообразны, это могут быть различные турбулентные и метеорологические процессы. К их числу относятся усиленная конвекция, геострофическая адаптация и фронтогенез, орография [Kosh S.E., 1988; Романова Н.Н., 1995]. Как правило, источники генерации атмосферных волн имеют широкий частотный спектр. На низких частотах (периоды от нескольких часов до нескольких суток) основной вклад дают изменения погоды синоптического масштаба, приливы, суточный солнечный нагрев и периодические изменения направления циркуляции. На более высоких частотах (периоды составляют от нескольких минут до нескольких часов) главный вклад принадлежит АГВ (акустико-гравитационные волны) их периоды много меньше периода Брента — Вяйсяля т ~ 0,05 - 0,05 10-3 с [Швед Г.М., 2020] и ВГВ. Волны могут распространяться от источника в область сильной диссипации [Vadas S.L., 2007; Gavrilov N.M., 2015]. Так происходит в том случае, когда энергия волны распространяется вверх (например, из тропосферы в верхнюю атмосферу и ионосферу), поскольку молекулярная кинетическая вязкость и теплопроводность возрастают на порядок величины на каждые несколько десятков километров по вертикали.
Волны, распространяющиеся в атмосфере, могут затухать (диссипировать) из-за действия турбулентной и молекулярной вязкости и теплопроводности, ионного трения, и лучистого теплообмена. Один из главных механизмов диссипации ВГВ в атмосфере - мелкомасштабная турбулентность. [Gavrilov, 2010] Она может генерироваться в результате
разрушения волны, вызванной динамической и(или) конвективной неустойчивостью.
В термосфере мелкомасштабная турбулентность перестает существовать выше турбопаузы, расположенной на высотах 120 - 130 км. Там главными причинами для диссипации ВГВ становятся молекулярная вязкость и теплопроводность, а также ионная вязкость. Воздействие этих механизмов на ВГВ было изучено аналитически [Richmond, 1978] и численными расчетами [Lindzen, 1970]). Обнаружено, что амплитуды и фазы гармоник ВГВ перестают меняться с высотой из-за увеличения молекулярной диссипации в верхней термосфере.
Внутренние гравитационные волны, распространяясь вверх могут влиять на тепловой режим и состав верхних слоев атмосферы. При распространении в более высокие слои атмосферы амплитуда ВГВ растет и достигает своего максимума в области мезопаузы. Происходит диссипация волны и ее энергия переходит в тепловую энергию движения молекул.
На основе моделирования распространения ВГВ [Hines, 1968; Гаврилов, 1974; Чунчузов, 1978; Vincent, 1984; Gavrilov, 1992] показано как меняется энергетика атмосферы при прохождении ВГВ и были оценены потоки энергии ВГВ в верхнюю атмосферу. В отличие от теоретических исследований, экспериментальные наблюдения ВГВ были долгое время ограниченными. Наблюдение ВГВ у поверхности Земли затруднительно из-за их малой амплитуды на этом уровне и из-за помех, связанных с флуктуациями атмосферного давления. К тому же нельзя было проследить эволюцию характеристик ВГВ и степень воздействия на окружающую среду при прохождении их в верхнюю атмосферу.
1.2 Оптические методы исследования характеристик ВГВ.
Для исследований ВГВ в верхней атмосфере широко применяются оптические наземные наблюдения ночных свечений с применением приборов и методов, описанных ниже. Важным способом мониторинга ВГВ и характеристик атмосферных процессов является оптический метод наблюдения собственного излучения верхней атмосферы. В основе этого метода - регистрация вариаций интенсивности эмиссий верхней атмосферы, характеризуемых очень слабой интенсивностью (10-100 рэлей), а также температуры среды, где возникают эмиссии. Обнаружение достаточно мощных для измерения полос излучения гидроксила (Meinel band) дало заметный толчок в развитии этого метода. [Meinel, 1948]
С начала 70-ых годов были накоплены результаты о характеристиках ВГВ и об их влияние на термодинамический режим атмосферы, при этом использовался оптический метод регистрации собственного излучения верхней атмосферы. В основе него лежит принцип регистрации в относительно тонком излучающем слое (~10 км) вариаций интенсивности и температуры. Была обнаружена модуляция гидроксильного излучения [Krassovsky, Shagaev, 1974 a,b; Шагаев, 1974; Красовский и др., 1978; Потапов и др., 1978]. Позднее этот эффект также был обнаружен при прохождении ВГВ через слои эмиссии молекулярного кислорода и натрия [Krassovsky et al., 1975; Красовский, Шефов, 1976; Noxon, 1978; Красовский и др., 1986].
1.2.1 Спектрофотометрическая аппаратура.
Определение температуры по спектрам излучающих газовых состовляющих требует применения спектрофотометрической аппаратуры с высоким спектральным разрешением (0.0001 - 0.1нм). В то же время для регистрации временных вариаций интенсивности эмиссий, обусловленных
прохождением ВГВ через излучающие слои, необходимо использование светосильной аппаратуры, которая позволила бы осуществлять регистрацию спектров излучения с экспозициями не более 2-3 мин. Чтобы совместить эти два требования для оптических спектральных приборов, необходимо создание специальных спектрофотометрических комплексов, в которых эти требования будут сбалансированы для решения конкретных геофизических задач.
Возбужденный гидроксил верхней атмосферы может служить термометром, так как по соотношению интенсивностей отдельных линий спектра можно определить вращательную температуру молекул гидроксила, весьма близкую к температуре окружающего воздуха в излучающем слое [Шефов, 1961], а сам слой по данным ракетных измерений, в среднем имеет толщину 10 км и высоту максимума около 87 км (в небольших пределах эти параметры меняются в зависимости от колебательного уровня молекулы ОН и от сезона [Шефов и др., 2006]). Спектр гидроксильных эмиссий представляет собой совокупность инфракрасных колебательно-вращательных полос, которые позволяют определять вращательную температуру молекул ОН.
Методика определения основана на том, что при термодинамическом равновесии возбужденных молекул ОН(у', 3*) с окружающими молекулами воздуха их распределение по вращательным состояниям описывается функцией Больцмана. Отсюда, интенсивности колебательно-вращательных линий 1(у', 3 ^ V, 3') определяются как:
1(у ,] ^ V" ,/") =
,,,,......,2(2/ + 1)
= ы(у )а(у ,] ^у ,] ) у ' ехр
к Т,
гоЬ
(1.7)
Где
V - колебательный уровень исходный ] - вращательный уровень исходный
V -колебательный уровень перехода У - вращательный уровень перехода
Ы(у ) - населенность колебательного уровня V ,
,] ) - вероятность колебательно-вращательного перехода (V',] ^ V" ,Г) [с-1],
h - постоянная Планка,
с - скорость света,
k - постоянная Больцмана,
F(/ ) [т-1] - энергия вращательного уровня ] ,
Qv(Trot) - вращательная сумма по состояниям,
Тго, - вращательная температура.
Процедура определения вращательной температуры состоит в построении корреляционного соотношения.
/ 1(у ,] ^ у" ,Г ) \ _ кс 1П\2(2Г + 1)А(у ,Г V _ - ) + С (1.8)
С - константа.
Далее, используя метод наименьших квадратов, можно получить значения Ттг [Перминов и др., 2014]. Измеряемое гидроксильное излучение находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой и отражает температуру атмосферы на высоте максимума излучающего слоя ОН (около 87 км) [Шефов, 2006; Перминов и др., 2014]. Поскольку типичное время жизни возбужденной молекулы гидроксила значительно меньше 1 мс, можно считать, что гидроксильный слой за время накопления регистрируемого сигнала успевает исчезнуть и на короткое время возродиться в новом месте. Иначе говоря, за время накопления сигнала он может менять свой вертикальный профиль. На быстрых временных интервалах изменчивость этого профиля будет определяться законами атомной и квантовой статистики, а на медленных временных интервалах (десятки секунд и более) локализация излучающего гидроксильного слоя определяется в основном двумя вертикальными профилями - общей концентрации молекул [ОН] (2) и концентрации атомарного кислорода [О] 2), z- вертикальная координата [Шефов, 2006]. Величины [ОН] и [О] играют свою роль как при рождении возбужденного гидроксила, так и для его гашения (дезактивации столкновениями).
Вращательная температура гидроксила, которая является функцией отношения интенсивностей отдельных линий полос возбужденного гидроксила, имеет два важных информационных преимущества перед интенсивностями отдельных линий. Во-первых, как уже указывалось, она практически совпадает с температурой окружающего воздуха и поэтому может быть сопоставима с температурой и гидродинамическими характеристиками, получаемыми другими методами. Во-вторых, в отличие от интенсивности линий, вращательная температура не подвержена влиянию прозрачности атмосферы и легкой облачности (при определении температуры исключаются отдельные полосы гидроксила, на структуру которых накладываются полосы поглощения воды и некоторых других
молекул). Реально интенсивность линий можно измерять только в абсолютно ясную погоду с хорошей прозрачностью, тогда как число ночей, в которые можно измерять вращательную температуру, значительно больше. Существует еще одна полезная измеряемая характеристика гидроксильного слоя, столь же малочувствительная к легкой облачности и пониженной прозрачности атмосферы. Это отношение интенсивности не двух линий полосы, а двух колебательных полос. Вариации этого отношения определяются в основном столкновительной дезактивацией возбужденного гидроксила [Перминов и др., 1998]. Однако дезактивация возбужденного гидроксила столкновениями с молекулами кислорода становится несущественной для высоких колебательных уровней гидроксила (по крайней мере, для колебательных уровней V > 7). Реальными дезактиваторами для этих колебательных уровней становятся только столкновения с молекулярным азотом и кислородом. Поэтому отношение населенностей высоких колебательных уровней гидроксила и отношение интенсивностей соответствующих полос гидроксила, должно меняться согласованно с концентрациями азота и кислорода, то есть с плотностью воздуха на высоте максимума гидроксильного слоя [Pertsev et а1., 1999]. Из этого следует, что временные ряды, составленные из отношений интенсивностей седьмой и девятой либо восьмой и девятой полос гидроксила, коррелируют с плотностью воздуха на высоте максимума гидроксильного слоя. Таким образом, отношение населенностей двух уровней, как и отношение интенсивностей двух полос или интенсивностей двух других полос или «колебательные уровни» связанные с ними [Шефов и др., 2006], могут служить вертикальной координатой ^ гидроксильного слоя, монотонно меняющейся с плотностью воздуха в максимуме слоя (^ растет с ростом плотности) и отслеживающей вертикальные перемещения слоя.
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Влияние 11-летнего цикла солнечной активности на температуру субавроральной мезопаузы2017 год, кандидат наук Аммосова, Анастасия Михайловна
Исследование вариаций инфракрасного излучения молекулярного кислорода мезосферы Земли2013 год, кандидат физико-математических наук Липатов, Кирилл Вадимович
Излучение среднеширотной верхней атмосферы Земли в линии атомарного кислорода 557.7 нм по данным наблюдений в регионе Восточной Сибири2008 год, кандидат физико-математических наук Медведева, Ирина Викторовна
Нерегулярные и короткопериодические вариации в излучении среднеширотной верхней атмосферы Земли2010 год, кандидат физико-математических наук Белецкий, Александр Борисович
Исследование эмиссий молекулярного кислорода O2 и гидроксила ОН на ночной стороне Венеры по данным эксперимента VIRTIS миссии Венера-Экспресс2011 год, кандидат физико-математических наук Шакун, Алексей Владимирович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Попов Андрей Алексеевич, 2023 год
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаврилов Н. М. Параметризация динамического и теплового воздействия установившихся внутренних гравитационных волн на среднюю атмосферу // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. № 3. C. 271-278.
2. Гаврилов Н.М. Тепловой эффект внутренних гравитационных волн в верхней атмосфере // Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10, №1. С. 83-84
3. Гаврилов Н.М. Методические вопросы измерений динамических характеристик атмосферы, 2010
4. Гаврилов, Н. М., Попов, А. А. Моделирование сезонных изменений интенсивности внутренних гравитационных волн в нижней термосфере, 2022, в: Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 58, 1, стр. 79-91
5. Гаврилов Н. М., Швед Г. М. Затухание акустико-гравитацтонных волн в анизотропно турбулизованной излучающей атмосфере // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1975. Т. 11. № 7. С. 681-689.
6. Гаврилов Н.М., Швед Г.М. Исследование внутренних гравитационных волн в нижней термосфере по изофотам свечения ночного неба // Изв. АН СССР, физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. № 1. с. 8 - 17.
7. Гаврилов Н.М., Юдин В.А. О природе волновых вариаций ночного свечения гидроксила в верхней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 1982. Т. 22. № 3. С 444 - 449.
8. Гаврильева Г.А., Аммосов П.П. Наблюдения распространения гравитационных волн в инфракрасном свечении всего неба // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41, № 3. С. 375-381
9. Гаврильева Г.А., Аммосов П.П., Колтовской И.И. Полусуточный термический прилив в области мезопаузы над Якутией // Геомагн. аэрономия. 2009. Т. 49. N 1. С. 117-122.
10.Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы / Под ред. В.А. Бугаева. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. С. 252
11.Госсард Э.Э., Хук У.Х. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978, 532 с.
12. Колтовской И. И. Исследование волновых поцессов в области высокоширотной мезопаузы по излучению молекул гидроксила и кислорода. Автореферат кандидатской диссертации. Якутск. 2017. 16с.
13.Красовский В.И., Потапов Б.П., Семенов А.И., Соболев В.Г., Шагаев М.М., Шефов Н.Н. Внутренние гравитационные волны вблизи мезопаузы. 1. Результаты исследований гидроксильной эмиссии // Полярные сияния и свечение ночного неба / Под ред. Ю.И. Гальперина. М.: Сов. Радио, 1978. № 26. С. 5-29.
14.Медведева И. В., Белецкий А. Б., Перминов В. И., Перцев Н. Н. Вариации температуры атмосферы на высотах мезопаузы и нижней термосферы в периодах стратосферных потеплений по данным наземных и спутниковых измерений в различных долготных секторах // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 127-135.
15.Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика, М.: Наука. Физматгиз, ч. 2, 1967, 722с.
16. Перминов В. И., Семенов А. И., Медведева И. В., Перцев Н. Н. Изменчивость температуры в области мезопаузы по наблюдениям гидроксильного излучения на средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. № 2. С. 246-256.
17.Перминов В.И., Семенов А.И., Шефов Н.Н. О вращательной температуре гидроксильной эмиссии // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47. № 6. С. 798-805
18. Перминов В.И., Семенов А.И., Шефов Н.Н., Дезактивация колебательных состояний молекул гидроксила атомарным и молекулярным кислородом в области мезопаузы // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38, № 6. С. 100-105
19.Перцев Н.Н., Андреев А.Б., Мерзляков Е.Г., и др. Мезосферно-термосферные проявления стратосферныз потеплений: совместное использование спутниковых и наземных измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 1. С. 93-100.
20.Попов, А. А., Гаврилов, Н. М., Перминов, В. И., Перцев, Н. Н. Статистическая коррекция мезомасштабных дисперсий температуры верхней атмосферы по наблюдениям ночной эмиссии гидроксила в Звенигороде, 2022, в: ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ. 62, 1, стр. 130-136
21. Розенфельд С. Х. О затухании внутренних гравитационных волн в атмосфере из-за генерации вторичных гармоник // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1983. Т. 19. № 9. С. 1011-1019.
22.Романова, Н. Н. Внутренние гравитационные волны в нижней атмосфере и источники их генерации (Обзор) / Н.Н. Романова, И.Г. Якушкин // Известия АН РАН. Физика атмосферы и океана. — 1995. — Т.31, № 2. — С. 163-186.
23.Сомсиков В.М., Андреев А.Б., Жумабаев Б.Т. Особенности сезонного поведения волновых возмущений мезосферы по данным SATI и по
спутниковым наблюдениям. // Изв. нац. акад. наук Респ. Казахстан, сер. физико-математическая. 2015. Т. 4, № 302. С. 33-39.
24.Холтон Дж. Р. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. C. 224
25.Чунчунзов Е.П. Об энергетических характеристиках внутренних гравитационных волн, наблюдаемых по гидроксильной эмиссии мезопаузы // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т.14, № 10. С. 1094-1097
26.Швед Г. М. Введение в динамику и энергетику атмосферы: учеб. пособие. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2020. — 396 с.
27.Шефов Н.Н. Об определении вращательной температуры полос ОН // Спектральные, электрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний свечения ночного неба / Под ред. В.И. Красовского. М.: Изд-во АН СССР, 1961. № 5. С. 5-9.
28.Шефов Н. Н., Семенов А. И., Хомич В. Ю. Излучение верхней атмосферы- индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 741 с.
29.Шефов Н.Н., Семенов А.И., Юрченко О.Т. Эмпирическая модель вариаций эмиссии атомарного кислорода 630 нм в ночное время. 1. Интенсивность // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 2. С. 250260
30.Akmaev R. A. On the energetics of the mean-flow interactions with thermally dissipating gravity waves // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. P. D11125. doi: 10.1029.2006JD 007908.
31.Ammosov P., Gavrilyeva G., Ammosova A., Koltovskoi I. Response of the mesopause temperatures to solar activity over Yakutia in 1999-2013, Adv. Space Res. 2014. V. 54. P. 2518-2524. doi:10.1016/j.asr.2014.06.007.
32.Aushev, V.M., Pogoreltsev, A.I., Vodyannikov, V.V., Wiens, R.H., Shepherd, G.G., 2000, Results of the airglow and temperature observations by MORTI at the Almaty site (43.05 N, 76.97 E). Physics and Chemistry of the Earth. (Part B). 25(5-6), 409-415, DOI: 10.1016/S1464-1909(00) 00035-6.
33. Bilitza D. IRI 86 and MSIS 86 models updated // EOS. 1987. V. 68. № 25. P. 595-595. doi: 10.1029/E0068i025p00595-02.
34.Dalin, P., Perminov, V., Pertsev, N. and Romejko, V., "Updated long-term trends in mesopause temperature, airglow emissions, and noctilucent clouds," Journal of Geophysical Research, 125, e2019JD030814, https://doi.org/https://doi.org/10.1029/2019JD030814 (2020).
35.Dickinson R.E. Planetary waves and large-scale disturbances in the stratosphere and mesosphere // Meteorological and chemical factors in D -region aeronomy - record of the third aeronomy conference (USA, Illisinois, September 23-26, 1968) // ed. C.F. Sechrist. Urbana: Univ. Illinois, 1969. P. 80-87
36.Drob D. P., Emmert J. T., Meriwether J. W., et al. An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The quiet time thermosphere // Earth and Space Sci. 2015. V.2. № 7. P. 301-309. doi: 10.1002/2014EA000089.
37.Fritts D. C., Alexander M. J. Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere // Rev. Geophys. 2003. V. 41. № 1. P. 1003. doi: 10.1029/2001RG000106.
38.Gavrilov N.M. Internal gravity waves in the mesopause region: hydrodynamical sources and climatological patterns // Adv. Space Res. 1992. Vol. 12, N 10. P. 113-121
39.Gavrilov N.M. Parametrization of momentum and energy depositions from gravity waves generated by tropospheric hydrodynamic sources // Ann. Geophys. 1997. V. 15 P. 1570-1580.
40.Gavrilov, N.M. Dynamical and thermal effects of nonsteady nonlinear acoustic-gravity waves propagating from tropospheric sources to the upper atmosphere / N.M. Gavrilov, S.P. Kshevetskii // Advances in Space Research. — 2015. — V. 56, Iss. 9. — P. 1833-1843.
41. Gavrilov N. M., Fukao S. A comparison of seasonal variations of gravity wave intensity observed by the MU radar with a theoretical model // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. P. 3485-3494.
42.Gavrilov, N.M., Fukao, S., 1999. A Comparison of seasonal variations of gravity wave intensity observed by the MU radar with a theoretical model. Journal of the Atmospheric Sciences 56(20), 3485-3494.
43.Gavrilov N.M., Fukao S., Nakamura T., et al. Comparative study of interannual changes of the mean winds and gravity wave activity in the middle atmosphere over Japan, Central Europe and Canada // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2002a. V. 64 P. 1003 -1010.
44.Gavrilov, N.M., Fukao, S., Nakamura, T., Jacobi, Ch., Kurschner, D., Manson, A.H., Meek, C. E., 2002a. Comparative study of interannual changes of the mean winds and gravity wave activity in the middle atmosphere over Japan, Central Europe and Canada. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 64, 1003 -1010.
45.Gavrilov, N. M. and Jacobi, Ch., "Multi-year Changes in the Mesoscale Waves According to the Data of Drift and Radio-Meteor Measurements at
Collm, Germany," Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, This issue, 26th Int. Symp. Atmos. Ocean Opt.: Atmos. Phys. (2020)
46.Gavrilov, N.M., Jacobi, Ch., 2019. Combined multi-year observations of internal gravity waves with ionospheric drifts and meteor radar at Collm, Germany. Abstracts of 27th IUGG General Assembly, Montreal, Canada, July 8 - 18, A05p-235.
47.Gavrilov N.M., Jacobi Ch., Kurschner D. Climatology of ionospheric drift perturbations at Collm, Germany // Adv. Space Res. 2001. V. 27. N 10. P. 1779-1784.
48.Gavrilov, N.M., Manson, A.H., Meek, C.E., 1995. Climatological monthly characteristics of middle atmosphere gravity waves (10 min - 10 hr) during 1979-1993 at Saskatoon. Annales Geophysicae 13)1), 285-295, DOI: 10.1007/s00585-995-0285-7.
49.Gavrilov N. M., Popov A. A., Perminov V. I., Pertsev N. N., Medvedeva I. V., Ammosov P. P., Gavrilyeva G. A., Koltovskoi I. I. Mesoscale variations of hydroxyl rotational temperature from observations at Russian sites // Proc. SPIE. 2020. V. 11560. P. 115607W. doi: 10.1117/12.2574795. 2020.
50.Gavrilov, N.M., Riggin D.M., Fritts D.C. Medium-frequency radar studies of gravity-wave seasonal variations over Hawaii (22°N, 160°W) // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. N D20, P. 4655, doi:10.1029/2002JD003131, 2003.
51.Gavrilov N.M., Shiokawa K., Ogawa T. Seasonal variations of medium-scale gravity wave parameters in the lower thermosphere obtained from SATI observations at Shigaraki, Japan // J. Geophys. Res. 2002b. V. 107. N D24. P. 4755.
52. Gavrilov N. M., Shiokawa K., Ogawa T. Seasonal variations of medium-scale gravity wave parameters in the lower thermosphere obtained from SATI observations at Shigaraki, Japan // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. № D24. P. 4755. doi: 10.1029/2001JD001469.
53.Gavrilov N.M., Shved G.M. Study of internal gravity waves in the lower thermosphere from observations of the nocturnal sky airglow OI 5577A in Ashkhabad. // Ann. Geophys. 1982, V. 38. N. 6, P. 789 - 803.
54. Gavrilov N. M., Yudin V. A. Model for coefficients of turbulence and effective Prandtl number produced by breaking gravity waves in the upper atmosphere // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. № D7. P. 7619-7624.
55.Gavrilov N.M., Yudin V.A. On the nature of wave variations of the hydroxil night airglow in the upper atmosphere // Geomagn. Aeronomy. 1982, V. 22, N 3, P 368-371.
56.Gavrilyeva G.A., Ammosov P.P., Koltovskoi I.I. Semidiurnal thermal tide in the mesopause region over Yakutia // Geomagnetism Aeronomy. 2009. V. 49. N 1. P. 110-114.
57.Gavrilyeva G.A., Ammosov P.P., Koltovskoi I.I. Semidiurnal thermal tide in the mesopause region over Yakutia // Geomagnetism Aeronomy. 2009. V. 49. N1 P. 110-114.
58.Gossard E. E., Hooke W. H. Waves in the atmosphere. Amsterdam-Oxford-New York: Elsevier Sci. Publ. Co. 1975. 456 p.
59. Gough D. An elementary introduction to the JWKB approximation // Astron Nachr. 2006. V. AN999. № 88. P. 789-801.
60.Hines C.O. A possible source of waves in noctilucent clouds // J. Atmos. Sci. 1968. Vol. 25, N 5. P. 937-942
61.Hines C.O. The upper atmosphere in motion. Worcester, Massachusetts: Heffernan Press, 1974. P. 1024
62.Khomich, V.Yu., Semenov, A.I., Shefov, N.N., 2008. Airglow as an indicator of upper atmospheric structure and dynamics. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-540-75833-4.
63. Koch, S.E. A mesoscale gravity wave event observed during CCOPE./ S.E. Koch, R.E. Golus // Monthly Weather Review. — 1988. — V. 116, No. 12.— P. 2527-2592.
64. Krassovski V. I. Infrasonic variations of OH emission in the upper atmosphere // Ann. Geophys. 1972. V. 28. P. 739-746.
65.Krassovski V.I., Potapov B.P., Semenov A.I., et al. Internal gravity waves near the mesopause. 1. Results of hydroxyl emission studies / Ed. Galperin Yu.I. Soviet radio Press, Moscow. 1978. № 26. P. 5-29.
66.Lastovichka J. A review of recent progress in trends in the upper atmosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2017.V. 163. P. 213.
67.Lindzen R. S. Turbulence and stress owing to gravity wave and tidal breakdown // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. № CI0. P. 9707-9714.
68. Lindzen R. S., Forbes J. Turbulence originating from convectively stable internal waves // J. Geophys. Res. 1983. V. 88. P. 6549-6553.
69. Lopez-Gonzalez M.J., Rodriguez E., Wiens R.H., et al. Seasonal variations of O2 atmospheric and OH(6-2) airglow and temperature at mid-latitudes from SATI observations // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2007. V. 69. P. 2379-2390.
70.Manson, A.H., Meek, C.E., Koshyk, J., Franke, S., Fritts, D.C., Riggin, D., Hall, C.M., Hocking, W.K., MacDougall, J., Igarashi, K., Vincent, R.A.,
2002. Gravity wave activity and dynamical effects in the middle atmosphere (60-90 km): observations from an MF/MLT radar network, and results from the Canadian Middle Atmosphere Model (CMAM). Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 64, 65-90.
71.Medvedev A. S., Klaassen P. Thermal effects of saturating gravity waves in the atmosphere // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № D2, P. 4040, doi: 10.1029/2002JD002504.
72.Medvedev A. S., Yi git E. Gravity waves in planetary atmospheres: Their effects and parameterization in global circulation models // Atmosphere. 2019. V. 10. P. 531. doi: 10.3390/atmos10090531
73.Medvedeva I.V., Beletskii A.B., Perminov V.I., et al. Atmosphere temperature variations at the altitudes of the mesosphere and lower thermosphere during stratospheric warmings from the data of ground-based and satellite measurements at different longitude sectors // Contemporary problems of the Earth remote sensing from space. 2011. V. 8. N 4. P. 127135.
74.Meinel A.B. The near-infared spectrum of the night sky and aurorae // Publ. Astron. Soc. Pac. 1948. Vol. 60, N 337. P . 373-378
75.Nakamura T., Higashikawa A., Tsuda T., Matsushita Y. Seasonal variations of gravity wave structures in OH airglow with a CCD imager at Shigaraki // Earth Planets Space. 1999. V. 51. P. 897-906.
76.Offermann, D., Gusev, O., Donner, M., Forbes, J.M., Hagan, M., Mlynczak, M.G., Oberheide, J., Preusse, P., Schmidt, H., Russell III, J. M., 2009. Relative intensities of middle atmosphere waves, Journal of Geophysical Research 114, D06110, doi:10.1029/2008JD010662.
77.Perminov V.I., Semenov A.I., Medvedeva I.N., et al. Temperature variability in the mesopause region according to hydroxyl-emission
observations at midlatitudes // Geomagn. Aeronomy. 2014. V. 54. N 2. P. 230-239.
78.Pertsev N.N., Andreev A.B., Merzlyakov E.G., et al. Mesospheric-thermospheric manifestations of stratospheric warmings: joint usage of satellite and ground-based measurements // Contemporary problems of the Earth remote sensing from space. 2013. V. 10. N 1. P. 93-100.
79.Pertsev N. N., Perminov V. I., Lowe R. P. , DeSerranno R., Effect of Vertical Motion of the hydroxyl Nightglow Layer on the observed variation of rotational temperature. Intern. J.Geomag. Aeron. 1999. V.1. N.3, P. 259265
80.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. № A12. P. 1468. doi: 10.1029/2002JA009430.
81.Popov A. A., Gavrilov N. M., Perminov V. I., Pertsev N. N., Medvedeva I. V. Multi-year observations of mesoscale variances of hydroxyl nightglow near the mesopause at Tory and Zvenigorod // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2020. V. 205. P. 105311. doi : 10.1016/j.jastp.2020.105311.
82.Popov, A.A., Gavrilov, N.M., Andreev, A.B., Pogoreltsev, A.I., 2018. Interannual dynamics in intensity of mesoscale hydroxyl nightglow variations over Almaty. Solar-Terrestrial Physics 4(2), 63-68, DOI: 10.12737/stp-42201810. © 2018
83.Rauthe ,M., Gerding, M., L'ubken F-J, 2008. Seasonal changes in gravity wave activity measured by lidars at mid-latitudes. Atmosperic Chemistry and Physics 8, 6775-6787.
84.Reisin, E. R. and Scheer, J., "Gravity wave activity in the mesopause region from airglow measurements at El Leoncito," Journal of Atmospheric and
Solar-Terrestrial Physics, 66, 655 - 661,
https://doi.org/10.1016/jjastp.2004.01.017 (2004).
85. Senft, D.C., Gardner, C.S., 1991. Seasonal variability of gravity wave activity and spectra in the mesopause region at Urbana. Journal of Geophysical Research 96, 17229-17264.
86. Shefov N.N. Hydroxyl emission of the upper atmosphere - I. // Planet. Space Sci. 1969. V. 17. P. 797 - 813.
87. Shefov N.N., Semenov A.I., Homich V.Yu. Upper atmosphere emissions as indicator of its structure and dynamics. GEOS Publ., Moscow. 2006. 741p.
88. Somsikov, V.M., Andreev, A.B., Zhumbaev, B.T., 2015. Peculiarities of seasonal behavior of wave disturbances in the mesosphere according to SATI and satellite observations. News Natl. Acad. Sci. Rep. Kazakhstan. V. 4. N 302. P. 33-39.
89. Swenson, G.R., Mende, S.B., 1994. OH emission and gravity waves (including a breaking wave) in all-sky imagery from Bear Lake, UT. Geophysical Research Letters 21(20), 2239-2242.
90. Taylor M. J., HapgoodM. A. On the origin of ripple-type wave structure in the OH nightglow emission // Planet. Space Sci. 1990. V. 38. № 11. P. 14211430.
91. Taylor M. J., Hapgood M. A., Rothwell, P. Observations of gravity wave propagation in the OI (557.7 nm), Na (589.2 nm) and the near infrared OH nightglow emissions // Planet. Space Sci. 1987. V. 35. № 4. P. 413-427.
92. Taylor, M.J., Hapgood M.A. On the origin of ripple-type wave structure in the OH nightglow emission // Planet. Space Sci. 1990. V. 38. N. 11. P. 14211430.
93. Taylor, M.J., Hapgood M.A. On the origin of ripple-type wave structure in the OH nightglow emission // Planet. Space Sci. 1990. V. 38. N. 11. P. 14211430.
94.Tsuda, T., Nishida, M., Rocken, C. and Ware, R. H., "A global morphology of gravity wave activity in the stratosphere revealed by the GPS occultation data," Journal of Geophysical Research, 105(D6), 7257-7273, https://doi.org/10.1029/1999JD901005 (2000).
95. Vadas S. L., Taylor M. J., Pautet S.P.-D., Fritts D.C., Liu H.-L. Convection: the likely source of the medium-scale gravity waves observed in the OH airglow layer near Brasilia, Brazil, during the SpreadFEx campaign // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 231-259.
96. Vadas S.L., Taylor M.J., Pautet P.-D., et al. Convection: the likely source of the medium-scale gravity waves observed in the OH airglow layer near Brasilia, Brazil, during the SpreadFEx campaign // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 231-259.
97. Vadas, S. L. Horizontal and vertical propagation, and dissipation of gravity waves in the thermosphere from lower atmosheric and termospheric sources. / S. L. Vadas // Journal of Geophysical Research. — 2007. — V. 112. — P. A06305.
98.VanZandt, T. E., "A model for gravity wave spectra observed by Doppler sounding system," Radio Science, 20, 1323-1330, https://doi.org/10.1029/RS020i006p01323 (1985).
99.Vincent R.A. Gravity wave motions in the mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1984. Vol. 46, N 2. P. 119-128
100. Weinstock J. Theoretical relation between momentum deposition and diffusion caused by gravity waves // Geophys. Res. Lett. 1982.V.9. № 8. P. 863-865. doi: 10.1029/GL009i008p00863.
101. Wiens R.H., Moise A., Brown S., et al. SATI: A spectral airglow temperature imager // Adv. Space Res., 1997. V. 19, P. 677-680, 1997a
102. Wüst, S., Schmidt, C., Bittner, M., Silber, I., Price, C., Yee, J.- H., Mlynczak, M. G., Russell III, J. M., 2017. First ground-based observations of mesopause temperatures above the Eastern-Mediterranean Part II: OH*-climatology and gravity wave activityJournal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics http://dx.doi.org/10.1016/iiastp.2017.01.003
103. Xu, J., She, C. Y., Yuan, W., Martens, C., Mlynczak, M. and Russell, J., "Comparison between the temperature measurements by TIMED/SABER and lidar in the midlatitude," Journal of Geophysical Research, 111, A10S09, https://doi.org/10.1029/2005JA011439 (2006).
104. Yigit E., Medvedev A. S. Heating and cooling of the thermosphere by internal gravity waves // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. P. P. L14807. doi: 10.1029/2009GL03 8507.
Saint Petersburg State University
On the rights of the manuscript
Andrey Alekseevich Popov
SEASONAL AND INTERANNUAL VARIABILITY OF THE ACTIVITY OF INTERNAL GRAVITY WAVES ACCORDING TO NIGHTGLOW OBSERVATIONS IN THE MESOPAUSE REGION
1.6.18. Sciences on the atmosphere and climate
Dissertation for the degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences Translation from Russia
Scientific supervisor: Doctor of Physical and Mathematical Sciences Gavrilov N. M.
Saint Petersburg, 2022
Table of contents
Introduction ............................................................................................................ 4
Chapter 1. Mesoscale waves and nightglow variations.........................................10
1.1 Internal gravity waves.................................................................................10
1.2 Optical methods for the IGW characteristics study......................................14
1.2.1 Spectrophotometric equipment..............................................................15
1.2.2 Diffraction spectrograph SP-50.............................................................19
1.2.3 Spectral device SATI (the Spectral Airglow Temperature Imager)........20
1.3 Results of optical studies of IGWs in the upper atmosphere........................25
1.4. Conclusions from Chapter 1.......................................................................28
Chapter 2. Seasonal and interannual variability of mesoscale waves....................29
2.1 Nightglow observation sites........................................................................29
2.2 Methods of statistical data processing..........................................................30
2.2.1 Differences in the average measured characteristics..............................31
2.2.2 Differences in recorded characteristics..................................................33
2.3 Exclusion of instrumental and atmospheric errors.......................................35
2.3.1 Instrumental noise.................................................................................36
2.3.2 Total incoherent noise...........................................................................37
2.4 Seasonal variations of IGWs.......................................................................44
2.4.1 Seasonal variations according to SATI..................................................45
2.4.2 Seasonal variations at Russian stations..................................................47
2.4.3 Correction of incoherent noise...............................................................48
2.5 Interannual changes of IGWs......................................................................50
2.5.1. Interannual changes according to SATI data.........................................50
2.5.2. Interannual changes at Russian stations................................................52
2.5.3 Correction of interannual changes.........................................................55
2.6 Conclusions from Chapter 2........................................................................59
Chapter 3. Numerical modeling of IGW seasonal variations................................61
3.1 Description of the numerical model.............................................................61
3.1.1. Equation of the wave energy balance....................................................62
3.1.2. Plane spectral modes of the IGW..........................................................63
3.1.3 Random wave sources...........................................................................68
3.2 Background temperature and wind fields.....................................................71
3.3 The results of numerical simulation of IGW parameters..............................75
3.4 Comparison with the experiment.................................................................78
3.5. Conclusions from Chapter 3.......................................................................79
CONCLUSION....................................................................................................81
Main publications on the dissertation topic...........................................................82
Articles in journals recommended by the Higher Attestation Commission:..........84
REFERENCES.....................................................................................................86
Introduction
The actuality of the topic.
Wave processes of various scales have a great influence on the thermodynamic regime of the entire atmosphere. Atmospheric waves from gravitaty to planetary are able to propagate to the upper layers of the atmosphere and carry energy and momentum, affecting the formation of climate change. Turbulence, closely interacting with atmospheric waves, creates vertical thermal and diffusion flows. In particular, various turbulent and meteorological processes occurring in the regions of the lower atmosphere can serve as sources of waves. Propagating upwards, the waves dissipate in the mesosphere and thermosphere regions, transferring energy to the environment and thereby warming it up.
The propagation of internal gravitational waves in the atmosphere is accompanied by variations in density, temperature and wind speed, which affect the rates of photochemical reactions and the characteristics of nighttime glow of the upper atmosphere. At the heights of the mesosphere and the lower thermosphere (MLT), various ground-based and satellite methods of observing atmospheric parameters are used to study waves. Measuring the intensity and rotational temperature of night sky luminescence is one of the ways to monitor the thermodynamic regime and composition of the upper atmosphere. The study of seasonal and interannual variations in the IGW characteristics on observations of variations in nightglow is complicated by changes in the duration of nights throughout the year and the presence of frequent interruptions in measurements due to bad weather conditions. This can greatly distort the parameters obtained using conventional spectral and harmonic analysis methods.
The study of the interaction of dynamic processes occurring in various layers of the Earth's atmosphere and the influence of interactions on these layers is one of the most important fundamental tasks of geophysics. Recent years and decades have been characterized by the powerful development of aerospace and ground-based monitoring systems for the state and dynamics of the atmosphere at various
altitudes. There is an accumulation of new measurement data that requires further understanding, processing and interpretation. Based on the available measurement data, global empirical, semi-empirical and numerical models of the dynamics of atmospheric characteristics are being developed, taking into account the temporal and spatial variability of meteorological fields.
In this paper, seasonal and interannual variations of mesoscale disturbances occurring in the area of nighttime MLT luminescence are investigated, and their relationship with IGW propagating from the lower atmosphere is analyzed. The work is devoted to the development and application of simple numerical difference filters that give stable spectral characteristics for short durations of the analyzed implementations (from 0.5 to 2 hours). Two types of difference filters have been developed that differ by averaging the recorded values of the rotational temperature of hydroxyl in the mesopause region. Statistical analysis of the obtained structural functions of the temperature field made it possible to estimate and exclude random incoherent noise of instrumental and turbulent nature.
The actuality of these studies is confirmed by their inclusion in recent years in all international research programs on the dynamics and climate of the middle and upper atmosphere.
Objectives of the work.
The purpose of this work is to study mesoscale waves in the MNT region. To do this, the following tasks were set:
1. Analysis of long-term data on variations in the nightglow of hydroxyl (OH) in the mesopause region in order to obtain information about internal gravity waves (IGWs) propagating through the emission layers.
2. Investigation of seasonal and interannual changes in mesoscale disturbances and IGW characteristics observed on the network of stations for OH nightglow observations. Exclusion of incoherent in time noise of instrumental and turbulent nature intended to rectify information about the coherent wave component.
3. Numerical simulation of the propagation of the IGW spectrum in the background temperature and wind fields corresponding to optical observation stations in order to interpret observations of wave variations of the OH nightglow.
Scientific novelty.
The method of digital difference filters was first adapted and applied to the analysis of mesoscale disturbances of nightglows. For the first time, a statistical procedure has been developed and applied to evaluate and exclude incoherent noise of instrumental and turbulent nature from experimental standard deviations of OH rotational temperature.
A large array of optical observations of the OH nightglow emission in the MLT region was investigated and new data on seasonal and interannual changes in mesoscale disturbances with time scales of 0.7 - 11 h and IGW characteristics at various observation stations were obtained.
An improved numerical model of the propagation of the spectrum of the IGW modes of the IGW was first used to calculate wave noise on a network of nightglow observation stations. New data on the influence of background wind and temperature profiles on the wave disturbance in the MLT region in various geographical locations have been obtained.
The reliability of the obtained results is based on the use of a large array of long-term experimental data from various observation points of night hydroxyl emission. Physically and mathematically justified methods of statistical data processing and numerical hydrodynamic modeling of the IGW propagation were used. The experimental data are compared with the results of numerical simulation of IGWs.
Scientific and practical value of the work.
In this manuscript, long-term data on the OH rotational temperature in the mesopause region are analyzed. The results made it possible to study seasonal and interannual changes in mesoscale temperature perturbations and IGW
characteristics in the MLT region. The results obtained can be applied to refine climate models and atmospheric dynamics.
The developed methods of experimental data analysis and numerical modeling can be used to study data on wave variations on a wide international network of observations of nightglows in MLT region and, specifically, on OH rotational temperature at any observation site.
Personal contribution of the author.
The author has developed and applied a technique based on digital difference filters and allowing studies of seasonal and interannual variations of mesoscale wave variations of nocturnal OH emission in the MLT region. The author processed and analyzed multi-year data from different stations.
The author took part in the modification of the numerical model for calculating the propagation of the spectrum of IGW modes, prepared computer codes, and also performed calculations of IGW characteristics for various observation stations.
When preparing papers with co-authors, the author plays the main role in performing calculations, analyzing results and formulating conclusions, as well as in preparing text and drawings.
Defended positions.
The following provisions are submitted for the defense:
1) According to the results of determining the characteristics of mesoscale IGWs in the mesopause region, a tendency to the formation of amplitude maxima in the spring, summer and autumn months of observations was found.
2) The exclusion of incoherent noise of instrumental and atmospheric nature leads to a decrease in the measured IGW amplitudes by 10-20% without significant changes in the nature of their seasonal variations. In addition, noise elimination improves the detection of interannual changes in the intensity of mesoscale variations of nocturnal hydroxyl emission and IGW characteristics.
3) Based on the results of numerical modeling of the propagation of the IGW spectrum and comparison with the results of optical observations in the MLT region, it was found that the intensity of mesoscale disturbances of the OH rotational temperature near the mesopause could be associated with the intensity of IGWs propagating from the lower atmosphere. It depends on the profiles of background characteristics of the middle atmosphere along the path of propagation of wave packets in different geographical locations and in different months of the year.
Approbation of the results.
The research results were reported at the following Russian and international symposiums and conferences: VI International Conference "Atmosphere, Ionosphere, Safety" (Kaliningrad, 2018), International Symposium "Atmospheric Radiation and Dynamics" (St. Petersburg, 2019), All-Russian scientific Conference with international participation "Earth and Space" to the centenary of Academician K. Ya. Kondratiev (St. Petersburg, 2020), EGU General Assembly 2021 Vienna, 13th School conference "Problems of Geocosmos" (St. Petersburg, 2021), All-Russian conference with international participation "Own radiation, structure and dynamics of the middle and upper atmosphere" dedicated to the memory of A. I. Semenov and N. N. Shefov (Moscow, 2021).
Some aspects of the work that formed the basis of the dissertation were examined and supported by RFBR grants No. 19-35-90130, 17-05-0458, 20-7710006.
Publications.
The main results of the work have been published in 12 printed works. (see Conclusion)
The structure and scope of the dissertation.
The dissertation consists of an Introduction, 3 Chapters, a Conclusion and a List of references. It contains 99 pages, including 30 figures, 4 tables and a bibliography of 104 titles
The content of the work.
The introduction describes the relevance of the topic of the dissertation. The goals and objectives of the research are formulated, the scientific novelty and practical value of the results obtained are described. The reliability and personal contribution of the author are noted, the provisions submitted for defense are formulated and the content of the work is summarized.
The first chapter provides a brief description of the properties of atmospheric IGWs. The features of their formation and propagation, as well as their influence on the overall dynamics of the atmosphere are given. A brief description of various methods for studying the characteristics of the MLT region and the results of observations are presented.
The second chapter describes the data used in the dissertation on the nocturnal emission of hydroxyl. The method of numerical difference filtering of data used in the work is described, as well as the method of statistical exclusion of incoherent noise of instrumental and atmospheric nature. The figures show the results obtained on seasonal and long-term changes in the intensity of mesoscale perturbations of the OH rotational temperature and the IGW characteristics.
The third chapter describes the upgraded numerical model of the propagation of the spectrum of the IGW modes, as well as the background wind and temperature fields used, which correspond to the coordinates of various observation sites of the OH night emission. The results of numerical modeling are presented and the results obtained are compared with the results of optical observations of mesoscale disturbances of nighttime OH emission and the characteristics of IGWs in the MLT region.
In the Conclusion, the main results of the work are formulated.
Chapter 1. Mesoscale waves and nightglow variations.
In this chapter, the analysis of the literature data on the nature of internal gravitational waves (IGW), as well as the optical methods of their observation used in the work, is carried out.
1.1 Internal gravity waves.
Atmospheric waves, which are called internal gravitational waves, are caused by the action of Archimedean buoyancy forces in an atmosphere with a density variable in height. Such waves can propagate both horizontally and vertically. IGW can penetrate into the upper atmosphere. The periods of IGW exceed a certain minimum limit - the Brunt-Vaisala period zg, which is determined by the formula [Hines, 1974]:
where - y = — = 1.4 is the ratio of heat capacities, k is the Boltzmann
Cy
constant, T is temperature, M is molecular weight, mH is the mass of a hydrogen atom, g is the acceleration of gravity, H is the homogeneous atmosphere height.
The propagation of a wave with a period t occurs in the direction whose zenith angle 6 is determined by the ratio.
For IGW, there is a dispersion relation that relates frequency and wave numbers as follows [Gavrilov, 2010],
(1.1)
a
cosQ = —
(1.2)
.2 2
2 N -G 2 ®a m — —~-k
2 2 2 g - f c
(1.4)
Where,
N = (gya/To)1/2; C0a2 = c2/4H2; (1.5)
N is the Brunt-Vaisala frequency for an isothermal atmosphere, ya = g/cp is the dry-adiabatic temperature gradient, c is the sound speed, f is the Coriolis parameter.
The vertical component of the phase velocity of the IGW cfz = o/m, where o is the observed frequency. For the vertical component of the group velocity CgZ, which describes the propagation of wave energy, the following expression can be obtained from (1.4) [Gavrilov, 2010]:
da g (1-f2 G2)m2c2 gz dm m (m2+k2)c2+f2G-2g2 '
(1.6)
In the case off << G << N2 and m2 >> 1/(4#2), the usual ratio cgz=-a/m is obtained from (1.6). Comparison (1.6) with the expression for the phase velocity cfz = a/m shows that both cgz and cjz have opposite signs at g > 0 and the same signs at g < 0. This means that for IGW having g > 0, the downward propagation of the phase corresponds to the upward flow of wave energy. For an IGW with g < 0, the downward propagation of the phase corresponds to a downward flow of energy. Negative values of g can be expected to increase with an increase in the average wind speed. Estimates based on the data measurements by MST radar at altitudes of 70-75 km showed that despite the large values of the average wind (up to 60-80 m/s in winter and 40-50 m/s in summer), the proportions of the harmonics of the
IGW with o < 0 are small (approximately 5%) among all registered IGW. [Gavrilov, 2012]
IGW have not only frequency, but also spatial dispersion. The directions of their phase and group velocities may be different. In particular, for low-frequency IGW with o2 << N2, the group velocity is directed at a very small angle to the horizon (arcsin (o/N)), while the phase velocity is directed perpendicular to the group velocity - almost vertically.
In the early 60s, a connection was discovered between vibrations in the upper atmosphere and the IGW passage in these layers. Ground explosions led to the emergence of powerful disturbances in the upper atmosphere. It has been suggested that various meteorological and turbulent processes on the boundaries of the troposphere can also serve as sources of IGW. Initially, the method of observing silvery clouds was used to register IGW. Using this method, it was possible to register IGW with small periods and speeds. (Bronstein, Grishin 1970; Fogle 1975). As the IGW passes upwards, the amplitude of the wave increases, at altitudes from 80 km, the IGW is absorbed, causing heating in the absorption region, in addition to the solar radiation generated. When passing through the radiating layers, weak variations in the intensity and temperature of the environment were observed (Krasovsky et al. 1978; Krasovsky, Shefov 1976, Shagaev) Faster and longer-period waves with dimensions of more than 100 km and speeds exceeding 100 m/s were detected using radiophysical methods implemented simultaneously in several remote locations. At the same time, the registration of radio signals from geostationary satellites was particularly effective [Vasseur et al., 1972; Bertin et al., 1978].
The mechanisms of IGW generation are quite diverse, it can be various turbulent and meteorological processes. These include enhanced convection, geostrophic adaptation and frontogenesis, orography [Kosh S.E., 1988; Romanova N.N., 1995 ]. As a rule, sources of generation of atmospheric waves have a wide frequency spectrum. At low frequencies (periods from several hours to several
days), the main contribution is made by weather changes on a synoptic scale, tides, daily solar heating and periodic changes in the direction of circulation. At higher frequencies (periods range from a few minutes to several hours), the main contribution belongs to the AGW (acoustic-gravitaty waves), their periods are much smaller than the Brunt-Vaisala period t ~ 0,05 - 0,05 10-3 [Shved G.M., 2020] and IGW. Waves can propagate from the source to the region of strong dissipation [Vadas S.L., 2007; Gavrilov N.M., 2015]. This happens when the wave energy propagates upwards (for example, from the troposphere to the upper atmosphere and ionosphere), since the molecular kinetic viscosity and thermal conductivity increase by an order of magnitude for every few tens of kilometers vertically.
Waves propagating in the atmosphere can attenuate (dissipate) due to the action of turbulent and molecular viscosity and thermal conductivity, ionic friction, and radiant heat exchange. One of the main mechanisms of IGW dissipation in the atmosphere is small-scale turbulence. [Gavrilov, 2010] It can be generated as a result of wave destruction caused by dynamic and (or) convective instability.
In the thermosphere, small-scale turbulence ceases to exist above the turbopause, located at altitudes of 120 - 130 km. There, the main reasons for the dissipation of IGW are molecular viscosity and thermal conductivity, as well as ionic viscosity. The effect of these mechanisms on IGW has been studied analytically [Richmond, 1978] and by numerical calculations [Lindzen, 1970]). It was found that the amplitudes and phases of the IGW harmonics cease to change with height due to an increase in molecular dissipation in the upper thermosphere.
Internal gravity waves propagating upwards can affect the thermal regime and the composition of the upper atmosphere layers. When IGW propagating to higher layers of the atmosphere, the amplitude of IGW increases and reaches its maximum in the mesopause region. The wave is dissipated and its energy is converted into the thermal energy of the molecules motion.
Based on the modeling of the IGW propagation [Hines, 1968; TaBpunoB (Gavrilov), 1974; ^yHyny30B (Chunchuzov), 1978; Vincent, 1984; Gavrilov,
1992], it is shown how the energy of the atmosphere changes during the IGW passage and the energy flows of IGW into the upper atmosphere were estimated. In contrast to theoretical studies, experimental observations of IGW have been limited for a long time. Observation of IGW near the Earth's surface is difficult due to their small amplitude at this level and due to interference associated with fluctuations in atmospheric pressure. In addition, it was impossible to trace the evolution of the IGW characteristics and the degree of environmental impact during their passage into the upper atmosphere.
1.2 Optical methods for the IGW characteristics study.
Optical ground-based nightglow observations using the instruments and methods described below are widely used for studies of IGW in the upper atmosphere. An important way of IGW monitoring and the characteristics of atmospheric processes is the optical method of observing the intrinsic radiation of the upper atmosphere. This method is based on the registration of variations in the intensity of the upper atmosphere emissions, characterized by a very weak intensity (10-100 rayleigh), as well as the temperature of the enviorment where emissions occur. The detection of hydroxyl radiation bands powerful enough to measure (Meinel band) gave a noticeable impetus to the development of this method. [Meinel, 1948]
Since the beginning of the 70s, results have been accumulated on the characteristics of IGW and their effect on the atmosphere thermodynamic regime, while using an optical method for registering the intrinsic radiation of the upper atmosphere. It is based on the principle of recording intensity and temperature variations in a relatively thin radiating layer (~10 km). Modulation of hydroxyl radiation was detected [Krassovsky, Shagaev, 1974 a,b; Shagaev, 1974; Krasovsky et al., 1978; Potapov et al., 1978]. Later, this effect was also detected
during the passage of IGW through the emission layers of molecular oxygen and sodium [Krassovsky et al., 1975; Krasovsky, Shefov, 1976; Noxon, 1978; Krasovsky et al., 1986].
1.2.1 Spectrophotometric equipment.
The determination of temperature from the spectra of emitting gas components requires the use of spectrophotometric equipment with high spectral resolution (0.0001 - 0.1 nm). At the same time, to register temporary variations in the intensity of emissions caused by the IGW passage through the emitting layers, it is necessary to use high-power equipment that would allow the registration of radiation spectra with exposures of no more than 2-3 minutes. In order to combine these two requirements for optical spectral devices, it is necessary to create special spectrophotometric complexes in which these requirements will be balanced to solve specific geophysical problems.
The excited hydroxyl of the upper atmosphere can serve as a thermometer, since by the ratio of the intensities of individual spectral lines, the rotational temperature of hydroxyl molecules can be determined, which is very close to the ambient air temperature in the radiating layer [Shefov, 1961], and the layer itself, according to rocket measurements, has an average thickness of 10 km and a maximum height of about 87 km (in within small limits, these parameters vary depending on the vibrational level of the OH molecule and on the season [Shefov et al., 2006]). The spectrum of hydroxyl emissions is a set of infrared vibrational-rotational bands that allow determining the rotational temperature of OH molecules.
The method of determination is based on the fact that in thermodynamic equilibrium of excited OH(v', J') molecules with surrounding air molecules, their distribution over rotational states is described by the Boltzmann function. Hence, the intensities of vibrational-rotational lines I(v', J' ^ v", J") are defined as:
/(v ,i ^ v" J") =
......,2(2/ + l)
N(v )A(v ,J ^v ,J ) ^ rr ' exp
Vv\lrot)
hcF(f)
k Z
rot
(1.7)
Where: v - oscillatory level initial J - rotational level initial v - oscillatory transition level J - rotational transition level N(v ) - population of the oscillatory level v ,
A(v ,J ^ v ,J ) - probability of oscillatory-rotational transition (v ,J ^ v ,J )
[s-1],
h - Planck 's constant,
c - the speed of light, k - Boltzmann constant, F(j ) [m-1] - rotational level energy J , Qv(Trot) - rotational sum by states, Trot - rotational temperature.
The procedure for determining the rotational temperature consists in constructing a correlation relation.
In
/(v ,/ ^ v" j")
he
2(2/ + l)¿(v ,/^v"J"X
kT,
F(f) + C
rot
(1.8)
C is a constant.
Further, using the least squares method, it is possible to obtain the values of Trot [Perminov et al., 2014]. The measured hydroxyl radiation is in thermodynamic equilibrium with the environment and reflects the temperature of the atmosphere at the height of the maximum radiating layer OH (about 87 km) [Shefov, 2006; Perminov et al., 2014]. Since the typical lifetime of an excited hydroxyl molecule is significantly less than 1 ms, it can be assumed that the hydroxyl layer has time to disappear during the accumulation of the recorded signal and revive in a new place for a short time. In other words, during the accumulation of the signal, it can change its vertical profile. At fast time intervals, the variability of this profile will be determined by the laws of atomic and quantum statistics, and at slow time intervals (tens of seconds or more), the localization of the emitting hydroxyl layer is determined mainly by two vertical profiles - the total concentration of molecules [OH] (z) and the concentration of atomic oxygen [O] (z), z is vertical coordinate [Shefov, 2006]. The values [OH] and [O] play a role both in the birth of the excited hydroxyl and for its quenching (deactivation by collisions).
The rotational temperature of hydroxyl, which is a function of the ratio of the intensities of individual lines of bands of excited hydroxyl, has two important informational advantages over the intensities of individual lines. Firstly, as already mentioned, it practically coincides with the ambient air temperature and therefore can be comparable with the temperature and hydrodynamic characteristics obtained by other methods. Secondly, unlike the intensity of the lines, the rotational temperature is not affected by the transparency of the atmosphere and light clouds (when determining the temperature, separate hydroxyl bands are excluded, on the structure of which absorption bands of water and some other molecules are
superimposed). In reality, the intensity of the lines can be measured only in absolutely clear weather with good transparency, whereas the number of nights in which the rotational temperature can be measured is much greater. There is another useful measurable characteristic of the hydroxyl layer, which is equally insensitive to light clouds and reduced atmospheric transparency. This is the ratio of the intensity of not two band lines, but two vibrational bands. Variations of this ratio are mainly determined by the collisional deactivation of the excited hydroxyl [Perminov et al., 1998]. However, deactivation of the excited hydroxyl by collisions with oxygen molecules becomes insignificant for high vibrational levels of hydroxyl (at least for vibrational levels v>7). The only real deactivators for these vibrational levels are collisions with molecular nitrogen and oxygen. Therefore, the ratio of populations of high vibrational hydroxyl levels and the ratio of the intensities of the corresponding hydroxyl bands should change in accordance with the concentrations of nitrogen and oxygen, that is, with the air density at the height of the maximum hydroxyl layer [Pertsev et al., 1999]. It follows from this that the time series composed of the intensity ratios of the seventh and ninth or eighth and ninth hydroxyl bands correlate with the air density at the height of the maximum of the hydroxyl layer. Thus, the ratio of populations of two levels, as well as the ratio of the intensities of two bands or the intensities of two other bands or the "vibrational levels" associated with them [Shefov et al., 2006], can serve as a vertical coordinate of the hydroxyl layer, monotonically changing with the air density at the maximum of the layer (Z increases with increasing density) and tracking vertical movements of the layer.
To register the spectra at the Zvenigorod Scientific Station and the Tory Geophysical Observatory of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, high-power spectrographs with receivers on CCD matrices are used, which register the emission spectrum of night emissions with high spectral and temporal resolution. Using the described method, it is possible to obtain a
rotational temperature of OH(6-2), which will correspond to the temperature of the atmosphere in the radiating layer.
1.2.2 Diffraction spectrograph SP-50.
A complex of spectral instruments was developed at the S. I. Vavilov State Optical Institute to register low-intensity radiation of the upper atmosphere. The SP-48, SP-49, and SP-50 instruments recorded luminescence in the visible, ultraviolet, and infrared ranges, respectively. These devices made it possible to obtain high-quality spectra with a resolution of 0.2-0.5 nm.
Figure 1.2.1 SP-50 spectrograph with FKT-1 electron-optical converter
The SP-50 spectrograph is used to register radiation in the 800-1100 nm spectral region, where intense bands of hydroxyl and molecular oxygen are located.
Table 1.2.1 Technical characteristics of the SP-50 diffraction spectrograph.
Collimator Lens: focal length, mm 820 relative opening 1:6.8 Operating range of the spectrum, nm 800-1000
Inverse linear dispersion, nm/mm 10
Maximum resolution, nm 0.5
Camera Lens: Recorded spectrum length, mm 15
focal length, mm 135 Method of spectrum registration: photographic.
relative opening 1:1.5 Overall dimensions, mm length 1250 width 550 height 270 Weight, kg 57
Magnification of the optical system: 0.16x
Replica of the diffraction grating: flat number of strokes per 1 mm 600 size of the shaded part, mm 120x95 light concentration: 1 order
1.2.3 Spectral device SATI (the Spectral Airglow Temperature Imager)
The SATI (Spectral Airflow Temperature Imager) device installed in the foothills of the Tien Shan. Measurements are carried out at the high-altitude complex of the Ionosphere Institute (43° 03' n.l., 76° 58' e.l.) at an altitude of 2730 m above sea level. The device is a Fabry-Perot spectrometer, in which the standard is a narrow-band interference filter, and the detector is a CCD camera. SATI measures the intensity and rotational temperature in the band (6-2) of the OH night emission. To isolate it, SATI uses an interference filter with a center of 836.813 nm [Lopez-Gonzalez et al., 2007]. The temperature is determined by comparing the measured spectrum of OH bands (6-2) with model spectra calculated for different vibrational-rotational temperatures of the hydroxyl molecule. The exposure time is 1 min. The use of SATI for the study of mesoscale variations
created by IGW in the lower thermosphere is described in detail in [Wiens et al., 1997].
Hydroxyl (OH) absorption bands are used by the spectrophotometric complex to observe its own radiation in the upper atmosphere.
The device is a spatial and spectral tomographic spectrometer Fabry-Perot, in which the standard is a narrow-band interference filter, and the detector is a CCD camera. The configuration of the device is shown in Figure 1.2.2
. It is based on the property of a narrow-band interference Fabry-Perot filter to transmit light with a decrease in the wavelength of spectral lines with an increase in the angles of incidence.
The SATI (the Spectral Airglow Temperature Imager) instrument measures the emission spectrum and rotational temperature in the bands OH (Figure 1.2.3) and molecular oxygen O2 (Figure 1.2.4). To do this, SATI uses two interference filters, one centered at a wavelength of 867.689 nm (in the spectral region of atmospheric O2 (0-1) group) and the second centered at 836.813 nm (in the spectral region of Meinel band 6-2 OH)
Fig. 1.2.2 SATI Configuration
Fig. 1.2.3 Hydroxyl emission band (Meinel band)
Fig. 1.2.4 Atmospheric oxygen emission band
An interference filter with a central wavelength X0, having a refractive index I, increases the wavelength of spectral lines, while decreasing the angles of incidence according to:
Consequently, the light corresponding to the spectral line at the wavelength X falls on the CCD camera at an angle 6. The images are rings, where the coordinate along the disk corresponds to the azimuth along the observed almucantar of the night sky, and the radial distribution of the ring images contains information about the spectral distribution from which the rotational temperature is determined.
The images obtained by SATI can be analyzed to obtain the average intensity of the atmosphere luminescence and the rotational temperature of the luminous molecules. This makes it possible to trace the behavior of the luminescence intensity and rotational temperature over long periods of time. It is possible to divide the image into sectors and obtain information about the intensity of the glow and the rotational temperature in each sector of the observed celestial ring. This makes it possible to determine the horizontal velocity of movement of disturbances in the upper atmosphere.
Figure 1.2.5 shows a typical picture obtained using a SATI instrument using a filter in the absorption bands of atmospheric oxygen (O2). In Figure 1.2.6, the image is obtained using a filter in the absorption bands of hydroxyl (OH).
(1.9)
Fig. 1.2.5 Images obtained using SATI. A filter centered in the oxygen absorption band (O2) is used
Figure 1.2.6 Image obtained using SATI, a filter centered in the absorption band of hydroxyl(OH) is used
1.3 Results of optical studies of IGWs in the upper atmosphere.
Summing up, it can be considered that optical methods for studying IGW in the upper atmosphere are an important way to monitor its thermodynamic regime
and composition. As a result of the research, various wave processes can be detected in different layers of the atmosphere.
A number of studies have investigated long-term changes in the intensity of IGW in the upper atmosphere. The study [Gavrilov et al., 2002b] made a statistical analysis of medium- and large-scale IGW with periods of 0.5 - 5 h and wavelengths of 100-1700 kilometers in the OH and O2 radiation layers from 1998 to 2001. The inter-seasonal and seasonal variability of the temperature of the mesopause region was studied according to spectral observations of hydroxyl radiation in Zvenigorod and Irkutsk in 2000 - 2010. [Perminov et al., 2014]. In the works of [Medvedeva et al., 2011; Pertsev et al., 2013] studied the variability of the characteristics of the mesopause region during sudden stratospheric warming. Recent studies reveal the presence of long-term changes in the characteristics of the upper atmosphere [for example, Lastovichka, 2017].
In the study [Gavrilyeva et al., 2009], changes in the intensity and rotational temperature of nighttime OH emission under the influence of atmospheric tides were analyzed. Somsikov et al., 2015 investigated the average characteristics of IGW in the OH glow layer in Almaty for 2010 - 2015. They determined that the main contribution to the mesoscale variations of the OH glow layer is made by IGW with horizontal lengths of 100 - 900 km. Similar values of horizontal IGW lengths were obtained by analyzing the observational data of OH and O2 emissions using SATI in Shigaraki, Japan [Gavrilov et al., 2002b].
Semi-annual changes in wave activity were also detected as a result of radar and lidar measurements of winds at various points in the northern hemisphere (for example, Senft and Gardner, 1991; Manson et al., 2002; Fritts and Alexander, 2003). However, some details are different. Seasonal variations of mesoscale wind disturbances determined using digital filters from ionospheric drift data, mid-frequency, MST and meteor radar observations were studied in (Gavrilov et al., 1995, 2002a, 2003). In most cases, seasonal changes in mesoscale wind dispersions demonstrate semi-annual components at altitudes of 85-90 km. The maxima of the IGW amplitudes in spring and autumn were detected in (Gavrilov et al. 2003) by
wind radar measurements at altitudes of 80-100 km and according to the SATI instrument in Shigaraki (35° north latitude, 138° east longitude) - see ( Gavrilov et al., 2002b).
Seasonal fluctuations in the intensity of IGW were studied at latitude 31.8 °C. by Reizin and Scheer (2004) based on the analysis of observations of nighttime air luminescence O2 and OH. Seasonal and interannual fluctuations of IGW potential energy in Tel Aviv (32° north latitude, 35° east longitude) for 2012-2015 were analyzed in (Wust et al., 2017). They found significant differences in seasonal fluctuations of IGW with periods of more and less than 1 h. Long-period IGW have maximum amplitudes in winter and autumn, while IGW with a shorter period are maximum in spring and autumn. Seasonal changes in the amplitudes of the IGW, having a major maximum in autumn and a smaller maximum in spring, were found in the work (Gavrilov and Shved, 1982), in which wave disturbances in the radiation of the air glow OI557.7 nm in Ashgabat (36° north latitude, 58° east longitude) were studied.
In [Gavrilov et al., 2001, 2002a], simple difference filters were applied and seasonal and interannual changes in the intensity of mesoscale disturbances with periods of 0.8 - 11 h at altitudes of 80-100 km were analyzed based on observations of meteor track drifts and ionospheric inhomogeneities. This method of filtering mesoscale perturbations has advantages especially when analyzing the results of nightglow observations, since it ensures the stability of the filter transmission function in conditions of short summer nights and significant interruptions in measurements, and also allows to obtain monthly average dispersions of mesoscale perturbations of the glow characteristics with different time scales (periods of spectral harmonics) in the range from tens of minutes to several hours.
In addition, the dispersions of mesoscale disturbances of the nightglow characteristics obtained by digital frequency filtering, in addition to the time-coherent component, may contain the contribution of random uncorrelated noise of instrumental and atmospheric nature. To correct this noise, we can apply the
method of difference filtering and analysis of the statistical properties of the structural functions of the characteristics of night lights, which allows us to estimate the variance of uncorrelated noise. By subtracting the latter from the above average monthly dispersions of mesoscale disturbances, a correction is achieved in order to obtain information about the intensity of time-coherent mesoscale disturbances, one of the causes of which may be internal gravitational waves (IGW) propagating in the mesosphere and lower thermosphere (MNT).
The stability of the transmission functions of the difference filters and the exclusion of the incoherent component provide a good basis for clarifying the data on seasonal and interannual variations in the IGW characteristics in the middle and upper atmosphere. In this paper, these methods are used to analyze long-term measurements of the rotational temperature of the OH at 4 stations that are part of the global upper atmosphere temperature monitoring network based on observations of nightglow.
1.4. Conclusions from Chapter 1.
The analysis of the literature data in this chapter shows that
1. Atmospheric IGWs is an important factor in the dynamics of the middle and upper atmosphere and leads to variations in atmospheric parameters, including variations in intensity and other characteristics of night emissions.
2. Observations of variations in the characteristics of nightglows of atmospheric gas components, including OH and O2 molecules, are an effective means of obtaining information about the parameters of mesoscale wave processes in the mesopause region.
3. Despite intensive studies of atmospheric IGWs, a number of features of their seasonal and interannual changes in various geographical regions require their clarification.
Chapter 2. Seasonal and interannual variability of mesoscale waves
This chapter provides the main data used on the nocturnal hydroxyl emission, describes the geography and measurement methodology. Various modifications of the numerical filtering method and the method of analyzing the statistical properties of the structural functions of the characteristics of night lights are described. Seasonal and interannual changes in the characteristics of IGW are investigated.
2.1 Nightglow observation sites.
Currently, observations of the emitting hydroxyl layer are being conducted in Russia, long-term data on its intensity and rotational temperature of hydroxyl molecules have been accumulated. At the same time, different observation methods are used. This work uses long-term data obtained at the Zvenigorod scientific station (56° n.l., 37° e.l.) in 2004 - 2016. and at the Tory Geophysical Observatory (52 ° n.l., 103 ° e.l., Tory) in 2012-2017, as well as data from the "Ionosphere Institute" of Almaty.
For the estimates in this work, the data of measurements of the rotational temperature of hydroxyl at the Zvenigorod Scientific Station of the Institute of Atmospheric Physics of the Russian Academy of Sciences (56° n.l., 37° e.l.) obtained using the SP-50 spectrograph with digital recording of the spectrum in the region of 800 - 1000 nm were used [Shefov et al., 2006]. The field of view of the spectral equipment is 9 ° with the zenith angle of inclination of the central axis of the device 53° in the north direction. Measurements are carried out on cloudless nights. To obtain the necessary signal-to-noise ratio, the accumulation time for one spectrum registration is 10 minutes. The spectrum of hydroxyl emissions is a set of infrared vibrational-rotational bands that allow determining the rotational temperature of OH molecules.
Similar measurements using spectrophotometric equipment are made at the Maymaga station 120 km north of Yakutsk.
Data on the hydroxyl nightglow at altitudes of 85-90 km in 1999-2015 were obtained in the Laboratory of Atmospheric Optics of the Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy at the Maymaga station (63° n.l., 130 ° e.l.) 120 km north of Yakutsk. The measurements were carried out using an infrared digital spectrograph (ICS) [Koltovskoi I. I., 2017] based on a diffraction spectrograph SP-50 [Shefov et al., 2007] and a recorder in the form of a CCD camera ST-6. The ICS registers the P-branches of the OH(6.2) radiation band at an altitude of ~87 km with a resolution of ~0.8 nm. The device has a viewing angle of 9° and a zenith angle of inclination of the central axis of 49° in the western direction [Koltovskoi I. I., 2017]. To obtain a sufficient signal-to-noise ratio, the recording time of individual spectra was 10 minutes. This provided, on average, 70-80 measurements during a moonless cloudless night.
Data on the hydroxyl nightglow at altitudes of 85 - 90 km in 2010-2017 were obtained at the Ionosphere Institute in Almaty, Republic of Kazakhstan. See Chapter 1, paragraph 1.2.3.
SATI measures the intensity and rotational temperature of HE emission at an average altitude of 87 km at 12 points of the firmament along the ring of the night sky with a diameter of about 100 km and 14-16 km wide (see Fig. 1 in [Somsikov et al., 2015]). During the initial processing, the measured values were averaged over the specified 12 points of the sky and over hourly time intervals.
2.2 Methods of statistical data processing.
To study seasonal and interannual variation in the hydroxyl night glow intensity and temperature, which may be associated with IGW in the MLT field, the method of digital difference filters is applied to the analysis of observational data of the rotational temperature of hydroxyl night glow at altitudes of 85 - 90 km.
2.2.1 Differences in the average measured characteristics.
For the SATI device, during primary processing, the measured values were averaged over 12 points of the sky and over time intervals of duration At. Comparison of the rotational OH temperature measured in Almaty by the SATI device with satellite data [Pertsev et al., 2013] showed that the discrepancies do not exceed several K.
To estimate the intensity of mesoscale disturbances in the mesopause region, the method described in [Gavrilov et al., 2001] was used. Numerical filtering is used by calculating the differences between successive averages over the interval At values of the measured night glow characteristic f
f,= f - f )/2,
(2.1)
where i is the number of the interval with the middle in ti. It was shown in [Gavrilov et al., 2001] that such a difference in hourly averages is equivalent to a numerical frequency filter with a transmission function:
H 2 = sin4 (or/ 2) (az / 2)2 :
(2.2)
where a is the frequency, At = ti+i- ti is the time step of consecutive intervals. Figure 2.2.1 shows the transmission functions filter (2.2) for various values of At. The maxima of H2 and the boundaries of the half-width of the transmission functions at the level of 0.5 of the maxima for the filters shown in Figure 2.2.1 and in Table 2.2.1. In the frequency domain, the passband of filters with At = 0.25 h and At = 0.5 h is approximately 4 and 2 times, respectively, wider than the bandwidth of a lower-frequency filter with At = 1 h . and 2 h . The used
averaging of data on the annular region of the luminous layer with a diameter of about 100 km, observed by SATI (see above), excludes from consideration perturbations with horizontal scales of less than 100 km.
Fig. 2.2.1 Transmission function (2) of the numerical filter (1) for A t = 0.5 h (solid line), A t = 1 h (dotted line) and A t = 2 h (dotted line with dots). The horizontal line shows the half values from the maxima of the function.
To increase statistical reliability, filtering 2.1. was carried out only by pairs of adjacent intervals, in each of which at least 67% of the minute temperature values were recorded. To study seasonal and interannual changes, monthly averages and relative standard deviations of the values 2.1. for each calendar month of observations of the night glow of hydroxyl were calculated.
Table 2.2.1. The periods of Tm corresponding to the maxima of H2 and low-frequency to, and high-frequency Th bandwidth boundaries at the level of 0.5 of the maxima for filters (2.2), shown in Fig. 2.2.1.
At, h Tm, h to, h Th, h
1 2.8 5.4 1.7
0.5 1.4 2.7 0.8
0.25 0.7 1.3 0.4
2.2.2 Differences in recorded characteristics
A modification of the method described above is numerical filtering by calculating the differences between the recorded values of the night glow characteristics, separated by the interval At.
The initial data are taken from the registration of the hydroxyl emission
characteristics ft at times ti, which are averaged by the device over the accumulation time St. The function f(t) can be represented as a Fourier series expansion in harmonics f ~ Fcos(wt+y) with different amplitudes F, frequencies w and phases y. Instrument averaging over the intervals St leads to a decrease in the recorded amplitudes of Fourier harmonics to values F = Fr±, where ri = sin(p)/p and P = wSt/2. To estimate mesoscale variations, numerical filtering is
used by determining the differences between the recorded values ft spaced by time intervals At:
¿(At) = [f (t. + At) - f (t. )]/2.
(2.3)
The calculation of such differences leads to a further decrease in the amplitudes of the Fourier harmonics, with F' = Fr2, and where r2 = sin(a) and a = wAt/2. Therefore, the differences (2.3) are equivalent to a digital filter with a
power transmission function (proportional to F'2/F2), which in terms of the period t = 2n /w is described by the expression
H\T) = (r1r2)z =
2 _ sin2(nAt/r) sin2(nSt/r) (nAt/z)2 '
(2.4)
For spectroscopic observations night emissions of the upper atmosphere nightglow emissions, the dependences of H2(t) are shown in Fig. 2.2.2.
Figure 2.2.2. Transmission functions of difference filters (2.4) at At = 10 min and At = 0.5 h (red), At = 1 h (blue) and At = 2 h (black)
At At = 0.5 h, At = 1 h and At = 2 h, the maxima of the transmission function (2.4) correspond to the periods of disturbances Zm ~ 1.3 h, Zm ~ 2.7 h h Zm ~ 5.4 h. Taking into account the bandwidth of these filters at the level of 0.5 of the maximum [Popov et al., 2020] the combination of these three filters makes it possible to study the spectral range of periods from 40 min to 11 h . Table 2.2.2 shows the periods of tm corresponding to the maxima of H2, as well as the low-frequency and high-frequency bandwidth limits of the function (2.4).
Table 2.2.2. The periods of Tm corresponding to the maxima of H2 and low-frequency to, and high-frequency Th bandwidth boundaries at the level of 0.5 of the maxima for filters (2.2), shown in Fig. 2.2.1.
At, h Tm, h to, h Th, h
0.5 1.0 0.7 2.0
1 2.0 1.4 2.1
2 4.0 2.7 8.2
The advantage of difference filters (2.3) is their applicability to measurements of upper atmosphere emissions on short summer nights (with a minimum duration of At) and in the presence of long breaks in measurements. The values of the differences (2.3) obtained during each calendar month of measurements allow us to calculate the variances.
dj(A) =< f'2(A) >, (2 5)
where angle brackets <> denote time averaging. The variances (2.5) characterize the intensity of the mesoscale variability of the parameter f in the corresponding frequency range. According to modern concepts, a significant contribution to the mesoscale variability of the MLT region can be made by IGW.
d2
Therefore, the variances f can provide information about the intensity of these mesoscale waves.
2.3 Exclusion of instrumental and atmospheric errors.
The dispersions of mesoscale disturbances of the nightglow characteristics obtained by digital frequency filtering, in addition to the time-coherent component, contain the contribution of random uncorrelated noise of instrumental and atmospheric nature. To correct this noise a method to analyze the statistical properties of the structural functions of the nightglow characteristics, which allows us to estimate the variance of uncorrelated noise is used in this work. By subtracting this noise from the experimental dispersions of mesoscale perturbations, correction is achieved in order to obtain information about the intensity of time-coherent mesoscale perturbations, one of the causes of which may
be internal gravitational waves (IGW) propagating in the mesosphere and lower thermosphere (MLT).
2.3.1 Instrumental noise.
The instrumental error is due to the imperfection of the measuring instruments used. The reasons for its occurrence are inaccuracies made during the manufacture and adjustment of devices, changes in the parameters of structural elements and circuits due to aging. In highly sensitive devices, their internal noise can be strongly manifested.
In addition to atmospheric processes, random variations of the dark current of the recording element of the spectral measuring device can contribute to the dispersion (2.5) of the differences (2.3). Fluctuations of the dark current can be determined by recording the readings of the device with the input slit closed. For measurements of the rotational temperature of hydroxyl T at the Zvenigorod scientific station at the signal accumulation time St ~ 5-10 min , the following empirical dependence of the standard deviation of the dark current ddc was obtained by this method:
8dc = A + AT + A2T2 + (B0 + BXT + B2T2) /1,
(2.6)
where I is the intensity of the hydroxyl glow, and A. and B. are the empirical coefficients estimated for each measuring device separately. Their values for Zvenigorod and Tory are given in Table 2.3.1. Figure 2.3.1 shows seasonal changes in ddc calculated by the formula (2.6) for each month and averaged over the period of measurements of OH emissions in Zvenigorod from 2004 to 2017. Smaller values of ddc are visible in summer, which can be explained by minimum temperature values and maximum OH emission intensities in summer (see, for example, [Gavrilov et al., 2020, Popov et al., 2020]).
The theory of error propagation [Barlow, 1993] shows that when averaged over n values recorded during a calendar month, the contribution of dark current
variations to the mean temperature dispersion is d2dc /n. The corresponding contribution to the variance of the differences (2.5) is d2dc /2n.
Table 2.3.1. Coefficients of formula (2.6) for Zvenigorod (measured on 26.11.2018) and Irkutsk
Coefficients Zvenigorod Irkutsk
A1, K -0.08 0.26
A2 1.0110-3 1.71310-3
A3, K-1 -3.44 10-6 -25.28 10-6
B0, rayleigh K 1633.6 3896
B1, rayleigh -20.23 -50.83
B2, rayleigh K-1 0.08864 0.2474
•—• i
0 4 8 t,mon
Figure 2.3.1. Standard deviations of the recorded rotational temperature OH caused by fluctuations of the dark current ddc (2.6) - 1 and incoherent noise when determined by the formula (2.10) - 2 and the least squares method (2.11) - 3 for measurements in Zvenigorod.
2.3.2 Total incoherent noise.
Empirical formulas of the (2.6) type are not defined for all the world network stations of nightglow observations, and are also absent for historical data.
Therefore, there is a need for other methods for estimating errors associated with uncorrelated random noise in time. This section describes a statistical method developed to estimate the contribution of uncorrelated noise to the measured variance (2.5) of mesoscale differences (2.3).
In addition to variations of the dark current, atmospheric variations with time scales smaller than the time of the instrument signal accumulation St (small-scale turbulence and high-frequency acoustic-gravitational waves) can contribute to the dispersion of mesoscale disturbances (2.5). In the area of scales At > 10 min, these fluctuations look like uncorrelated random noise in time, which we will further call "incoherent noise" s(t). Therefore, the recorded signal f(t) can be written as the sum of the time-coherent atmospheric mesoscale process S(t) and the specified incoherent noise:
f(t) = S (t) + s(t). (27)
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.