Обсерватория, где установлен интерферометр Фабри-Перо. Источник: Ольга Зоркальцева
Ученые обнаружили, что в результате атмосферного явления, называемого внезапным стратосферным потеплением, истончаются и смещаются слои свечения атмосферы на высоте выше 70 километров. Это явление также называют «ночным свечением», потому что из-за него ночное небо никогда не бывает темным. С помощью наземных и спутниковых приборов исследователям удалось зафиксировать, насколько сильно внезапное стратосферное потепление влияет на это свечение. Полученные данные свидетельствуют о сложных взаимосвязях между стратосферой и верхними слоями атмосферы, которые могут отражать последствия климатических изменений. Изучение собственного свечения атмосферы также полезно для прогнозирования космической погоды, которую нужно учитывать при запуске спутников. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advances in Space Research.
Собственное свечение атмосферы — это естественное атмосферное явление, которое можно наблюдать на высотах более 70 километров. Оно возникает из-за того, что космические лучи взаимодействуют с азотом, кислородом, гидроксил-ионами, натрием и другими частицами в атмосфере. Изучая свечение в верхних слоях, ученые пытаются понять, как различные процессы в атмосфере взаимодействуют и влияют друг на друга. Например, как атмосфера реагирует на изменение солнечной активности или как меняется движение воздушных масс из-за изменения температуры.
Особенно важно знать, какое действие на собственное свечение атмосферы оказывают внезапные стратосферные потепления — мощные явления, во время которых температура на высоте более 30 километров увеличивается на десятки градусов всего за несколько дней. Такие потепления происходят примерно раз в полтора года в Северном полушарии и раз в 20–30 лет в Южном полушарии и длятся в среднем 2–3 недели. Внезапные стратосферные потепления могут истончать и смещать слои собственного свечения атмосферы и снижать яркость их свечения. Из-за этого их становится трудно обнаружить с помощью наземных приборов, что усложняет изучение верхних слоев атмосферы и прогнозирование космической погоды.
Ученые из Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск) совместно с коллегами из Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН (Якутск) и Института оптики атмосферы СО РАН (Томск) исследовали, как внезапные стратосферные потепления влияют на свечение воздуха над Сибирью. Этот регион авторы выбрали потому, что здесь такие потепления возникают особенно часто, но их влияние на атмосферное свечение остается недостаточно изученным. Для наблюдений специалисты использовали сразу несколько приборов. Один из них — интерферометр Фабри-Перо, расположенный в геофизической обсерватории недалеко от поселка Торы в Бурятии. Это устройство анализировало свечение атомарного кислорода в зеленой области видимого спектра на высоте 90–100 километров. Еще один прибор — спектрограф Shamrock, расположенный на станции Маймага в Якутии, — регистрировал свечение гидроксила в инфракрасной области на высоте 80–85 километров. Кроме того, спутник NASA TIMED, находящийся на низкой околоземной орбите, используя радиометр SABER, измерял параметры атмосферы над всем земным шаром, включая температуру и концентрацию атомарного кислорода.
Объединив данные наземных приборов и спутника, ученые проследили, как меняются температура и яркость свечения атмосферы на высотах 40–110 километров во время внезапного стратосферного потепления. Изменения регистрировали в течение 15 дней до и после этого события, и всего исследователи проанализировали 17 эпизодов.
Один из самых интересных эффектов внезапного стратосферного потепления, который наблюдали авторы, — это изменение свечения кислорода на высоте около 95 километров. За несколько дней до пика внезапного стратосферного потепления зеленое свечение, испускаемое атомарным кислородом, усиливается, но в момент максимального потепления оно резко ослабевает. Спутниковые наблюдения показали: это происходит потому, что слои свечения сначала становятся тоньше и опускаются ниже обычного, а после внезапного потепления снова поднимаются вверх. При этом при подъеме кислородный слой оказывается выше, чем до внезапного стратосферного потепления, а слой свечения гидроксила, наоборот, остается ниже. Такое поведение связано со сжатием и расширением воздуха, вызванным горизонтальными и вертикальными ветрами, из-за которых слои свечения «дышат» вместе с атмосферой, меняя свою яркость и температуру.
Эти результаты показывают, что внезапные стратосферные потепления оказывают гораздо более сложное воздействие на верхние слои атмосферы, чем считалось ранее. Они запускают волновые процессы, которые раскачивают воздух на высоте 100 километров, изменяя температуру и яркость слоев свечения. Изменение свечения воздуха в высоких слоях атмосферы зависит от климатических изменений, поэтому их изучение — важная задача для решения проблемы глобального изменения климата. Кроме того, изучение верхней атмосферы имеет практическое применение — прогноз космической погоды, которую необходимо учитывать при запуске спутников.
«Эти результаты дают новое понимание того, как внезапные стратосферные потепления влияют на атмосферу нашей планеты, что важно для прогнозирования космической погоды. В дальнейшем мы планируем изучить, как процессы в стратосфере влияют на всю толщу атмосферы в масштабе планеты», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Зоркальцева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института солнечно-земной физики СО РАН.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
