Первое экспериментальное подтверждение двухсуточных фотохимических осцилляций в земной атмосфере
30.06.2021
Фотохимические процессы ключевым образом
влияют на важнейшие характеристики и составляющие земной атмосферы: ее энергетический
баланс, состояние и эволюцию озонового слоя, аэрозольно-химический состав
воздуха,которым дышат люди. Одним из важнейших факторов, определяющих
протекание фотохимических процессов, являются суточные вариации солнечной освещенности,
вызванные вращением Земли вокруг собственной оси. Эти вариации приводят к хорошо
известному эффекту-колебаниям концентраций химических
составляющих атмосферы с периодом 1 сутки, регистрируемым на разных высотах. Кроме
того, исследователями из Института физики атмосферы Ростокского университета
(Германия) и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний
Новгород) было предсказано, что на высотах 80-90 км (так называемая
область мезопаузы, где температура воздуха понижаетсядо самых низких в
атмосфере значений, достигающих -170 градусов Цельсия) могут возникать особые
фотохимические осцилляции с периодом двое суток, которые являются следствием нелинейного
фотохимического отклика на суточные вариации освещенности. Интерес к этому явлению продиктован возможностью его проявления в
эволюции других характеристик атмосферы, а также с точки зрения предсказания его
возникновения на других высотах, в том числе,вследствие искусственного
периодического воздействия на атмосферу.
В
предшествующих теоретических исследованиях было также показано, что регистрация
2-суточных осцилляций предоставляет новые возможности для оценки ряда
важнейших, но недоступных прямым измерениямпараметров атмосферы. Тем не менее, вопрос обнаруженияи
инструментального исследованиятакихосцилляций оставался открытымвплоть до
настоящего времени. Главная сложность регистрацииэтогоявления связана с его
локализацией в узком диапазоневысот (2-4 км), а также с большими трудностями мониторингахимических процессов
на высотахмезопаузы.
В недавней работе авторов из Института прикладной
физики РАН, опубликованной в журнале Американского геофизического союза Geophysical
Research Letters, были выявлены индикаторыприсутствия этого явления в
данных измерений и предпринята первая успешная попытка обнаружитьэтииндикаторыв
результатахспутникового зондирования области мезопаузы. Было
продемонстрировано, что главной особенностью нелинейных фотохимических
осцилляций с периодом 2 суток является значительное -на несколько
порядков величины-
различие концентраций атомарного водорода в конце следующих друг за другом
ночей. Обязательным условием возникновения двухсуточных осцилляций является
сильное (более, чем на порядок) замедление эволюции концентрации атомарного
водорода в конце ночей с его высокой концентрацией. Использование найденных
индикаторов для обработкиданных эксперимента SABER (SoundingoftheAtmosphereusingBroadbandEmissionRadiometry), полученных с помощью прибора, установленного на
спутнике TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and
Dynamics), позволило выявить около 200 эпизодов в течение 1 года измерений,
удовлетворяющих найденным критериям.Таким образом, получены первые
экспериментальные свидетельства возбуждениянелинейных фотохимических колебанийв
атмосфере Земли.
Авторы: М.Ю. Куликов, М.В. Беликович, А.М. Фейгин (Институт прикладной физики РАН)
Kulikov M.Yu., Belikovich M.V., Feigin A.M., The 2-day photochemical oscillations in the mesopause region: the first experimental evidence? // Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092795, 2021.
Пример обработки данных измерений SABER/TIMED за 2003 год. Приведены вертикальные профили концентрации атомарного водорода в 4 разных географических регионах в конце двух последовательных ночей, характеризуемых высокой (синие точки) и низкой (красные точки) концентрацией атомарного водорода.
